基于粘弹性杆模型的柔性电缆装配验证
发布时间：2021-08-24 10:53
随着科技进步与智能制造技术的发展,现代机电产品不断追求高品质、高效率、高精度,以船舶、汽车、飞机以及航天器为代表的复杂机电产品受电气性能和机械性能的约束,其内部电缆的质量分数不断增大,柔性电缆的装配质量成为影响整个产品装配效率和装配质量的关键。但是,由于机电产品内部所需电缆种类较多、形态复杂、可装配空间小,导致在实际的装配过程中极易造成错装、漏装、布局不合理或者干涉等现象。针对这一问题,本文基于电缆动力学建模的思想,探索在虚拟环境下进行电缆装配工艺仿真,以获取电缆合理的装配顺序和装配路径,本文研究的主要内容如下:（1）本文通过总结分析国内外在一维柔性体力学建模方面的理论成果,采用粘弹性杆的非线性力学模型完成电缆的动力学建模。将电缆的空间形态分解为中心线的位姿和截面的扭转,利用有限元离散思想分析电缆各离散质点在边界条件变化的情况下产生的相互作用力和力矩,同时考虑摩擦耗散对电缆形态的影响,将电缆力学建模问题转为动力学微分方程组的求解问题。（2）综合比较多种常微分方程求解算法的计算效率和精度,本文采用半隐式欧拉法进行方程的求解,仿真得到不同材料电缆的运动形态,以及电缆在不同运动参数下的形态变...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．６粘弹性杆的非线性力学法示意图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｎｏｎｌｉｎｅａｒ?ｍｅｃｈａｎｉｃｓ?ｍｅｔｈｏｄ?ｏｆ?ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ?ｒｏｄ??
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?大连海事大学硕士学位论文???尸?Ｗ?＝－（２．２１）??电缆离散质点所受能量包括弹性势能、重力势能以及耗散能，其中弹性势能又包括??拉伸变形、弯曲变形、几何扭转和材料扭转产生的能量，重力势能均匀分布在每一个质??点上，耗散能由质点运动时受到的内部阻尼力产生。本节将会基于变分原理对离散质点??所受力和力矩进行具体分析。??２．?３．?２拉伸变形表达??柔性电缆发生拉伸变形会导致相邻两离散质点间相对位置发生改变，从而产生抵抗??拉伸变形的拉伸力，且设电缆横截面为刚性截面不发生剪切变形，因此电缆离散点的拉??伸变形如图２．５所示。??Ｌ??ｒｉ?＂?＾?ｒｉ＋１??——０７＾??＜?：?＞??Ｌ；??图２．５电缆离散点的拉伸变形??Ｆｉｇ．?２．５?Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｉｓｃｒｅｔｅ?ｐｏｉｎｔｓ?ｏｆ?ｃａｂｌｅ??由上图可知，电缆相邻两离散质点间距离为定值Ｌ，拉伸变形后电缆相邻两离散质??点间距离变为，由此产生的拉伸应变计算公式如下：??Ａ?Ｈｋ＋ｉ?＿ｄｌ?（２．?２２）??（２．２３）??，?Ｌ??从而得到拉伸变形的能量方程表达式为：??Ｅｓｉ＾－Ｋｓ￡ｆ?（２．２４）??ｓ，／?２?ｓｉ??－１７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]常微分方程初值求解中改进欧拉法研究[J]. 朱健生. 淮南职业技术学院学报. 2019(02)
[2]线缆虚拟装配关键技术研究现状及其发展[J]. 王发麟,廖文和,郭宇,王晓飞,高扬. 中国机械工程. 2016(06)
[3]基于Cosserat弹性杆理论的柔性线缆物理建模方法[J]. 林海立,刘检华,唐承统,刘佳顺. 图学学报. 2016(01)
[4]船舶管系建模与虚拟装配应用研究[J]. 郭涛,徐轶群. 机电工程技术. 2015(11)
[5]基于改进弹簧-质点模型的柔性绳索仿真[J]. 王崴,周诚,杨云,王晓军,瞿珏. 计算机辅助设计与图形学学报. 2015(11)
[6]光滑平面约束下的活动线缆物性建模与运动仿真技术[J]. 金望韬,刘检华,刘佳顺,唐承统,林海立. 机械工程学报. 2016(03)
[7]基于质点-弹簧系统的柔性线缆建模及其运动仿真[J]. 马立元,谢世富,刘鹏远,马龙. 系统仿真学报. 2014(04)
[8]基于Kirchhoff动力学比拟理论的柔性管件维修可视化[J]. 焦玉民,王强,徐婷,谢庆华. 中国机械工程. 2014(04)
[9]面向电缆虚拟装配仿真的多分支弹簧质点模型[J]. 王志斌,刘检华,刘佳顺,宁汝新. 机械工程学报. 2014(03)
[10]精确Cosserat弹性杆动力学的分析力学方法[J]. 薛纭,翁德玮,陈立群. 物理学报. 2013(04)
博士论文
[1]基于物理属性的虚拟装配技术研究[D]. 高巍.西安电子科技大学 2015
[2]刚柔混合产品的装配工艺规划技术与应用研究[D]. 刘翊.华中科技大学 2014
[3]航天产品虚拟装配工艺设计技术及其应用基础研究[D]. 张丹.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]基于弹性杆理论的三维弯曲井眼中管柱受力及变形分析[D]. 于凡.中国石油大学(华东) 2017
[2]基于Pro/E的紧固件及线缆装配系统研制[D]. 马文斌.哈尔滨工业大学 2014
[3]拖拽下大变形柔性线缆非线性力学特性研究[D]. 郑天骄.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于悬链线理论的线缆建模和仿真研究[D]. 张永涛.南京航空航天大学 2013
[5]常微分方程数值解法及其应用[D]. 李晓红.东北师范大学 2008
[6]基于Pro/E的线缆装配规划系统的研究与设计[D]. 王金芳.南京航空航天大学 2008
本文编号：3359852
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．６粘弹性杆的非线性力学法示意图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｎｏｎｌｉｎｅａｒ?ｍｅｃｈａｎｉｃｓ?ｍｅｔｈｏｄ?ｏｆ?ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ?ｒｏｄ??
?大连海事大学硕士学位论文???根据式（２．７）至（２．１０）可得：??＝?／ｃｓｉｎ＾?（２．?１３）??ａ：２＝ａｓ：ｃｏｓ?沒?（２．１４）??ｄ９?，?、??Ｔ?－?Ｔｎ＋?——?（２．?１５）??ｄｓ??综上可得，弯扭度矢量可由电缆中心线的曲率／Ｃ（ｄ、挠率以及电缆横截面相对??扭转角的变化率＃得到，即柔性电缆在空间中的位姿可由参数／＾）和０完全确定。??ｄｓ．??２．３电缆动力学模型??２．３．１有限元离散??由于电缆空间形态复杂、计算量大，其在虚拟装配环境中应用时很难满足实时性的??要求，因此本文研宄从实际需求出发，应用有限元方法，将柔性电缆沿中心线离散成＾??个有序质点，如图２．４所示，每一个质点在三维空间中的位置可在固定坐标系中表示为??ｆ（／?＝?１，２，．．．，〃），则电缆中心线形态就可以通过质点间的连线来表示。同时在每一个质??点上关联一个截面主轴坐标系ｐ－ＸＭ）和参数０，则电缆在该质点处的截面扭转角忍可??通过计算Ｆｒｅｎｅｔ标架与截面主轴坐标系的相对转动得到。??卜柔性电缆??离散丨丨?＼??模型ＪＬ?＼??？丨ｒ２?〇??丰ｎ?〇??ｃ??图２．４柔性电缆离散模型??Ｆｉｇ．?２．４?Ｄｉｓｃｒｅｔｅ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｆｌｅｘｉｂｌｅ?ｃａｂｌｅ??－１５?－??
?大连海事大学硕士学位论文???尸?Ｗ?＝－（２．２１）??电缆离散质点所受能量包括弹性势能、重力势能以及耗散能，其中弹性势能又包括??拉伸变形、弯曲变形、几何扭转和材料扭转产生的能量，重力势能均匀分布在每一个质??点上，耗散能由质点运动时受到的内部阻尼力产生。本节将会基于变分原理对离散质点??所受力和力矩进行具体分析。??２．?３．?２拉伸变形表达??柔性电缆发生拉伸变形会导致相邻两离散质点间相对位置发生改变，从而产生抵抗??拉伸变形的拉伸力，且设电缆横截面为刚性截面不发生剪切变形，因此电缆离散点的拉??伸变形如图２．５所示。??Ｌ??ｒｉ?＂?＾?ｒｉ＋１??——０７＾??＜?：?＞??Ｌ；??图２．５电缆离散点的拉伸变形??Ｆｉｇ．?２．５?Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｉｓｃｒｅｔｅ?ｐｏｉｎｔｓ?ｏｆ?ｃａｂｌｅ??由上图可知，电缆相邻两离散质点间距离为定值Ｌ，拉伸变形后电缆相邻两离散质??点间距离变为，由此产生的拉伸应变计算公式如下：??Ａ?Ｈｋ＋ｉ?＿ｄｌ?（２．?２２）??（２．２３）??，?Ｌ??从而得到拉伸变形的能量方程表达式为：??Ｅｓｉ＾－Ｋｓ￡ｆ?（２．２４）??ｓ，／?２?ｓｉ??－１７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]常微分方程初值求解中改进欧拉法研究[J]. 朱健生. 淮南职业技术学院学报. 2019(02)
[2]线缆虚拟装配关键技术研究现状及其发展[J]. 王发麟,廖文和,郭宇,王晓飞,高扬. 中国机械工程. 2016(06)
[3]基于Cosserat弹性杆理论的柔性线缆物理建模方法[J]. 林海立,刘检华,唐承统,刘佳顺. 图学学报. 2016(01)
[4]船舶管系建模与虚拟装配应用研究[J]. 郭涛,徐轶群. 机电工程技术. 2015(11)
[5]基于改进弹簧-质点模型的柔性绳索仿真[J]. 王崴,周诚,杨云,王晓军,瞿珏. 计算机辅助设计与图形学学报. 2015(11)
[6]光滑平面约束下的活动线缆物性建模与运动仿真技术[J]. 金望韬,刘检华,刘佳顺,唐承统,林海立. 机械工程学报. 2016(03)
[7]基于质点-弹簧系统的柔性线缆建模及其运动仿真[J]. 马立元,谢世富,刘鹏远,马龙. 系统仿真学报. 2014(04)
[8]基于Kirchhoff动力学比拟理论的柔性管件维修可视化[J]. 焦玉民,王强,徐婷,谢庆华. 中国机械工程. 2014(04)
[9]面向电缆虚拟装配仿真的多分支弹簧质点模型[J]. 王志斌,刘检华,刘佳顺,宁汝新. 机械工程学报. 2014(03)
[10]精确Cosserat弹性杆动力学的分析力学方法[J]. 薛纭,翁德玮,陈立群. 物理学报. 2013(04)
博士论文
[1]基于物理属性的虚拟装配技术研究[D]. 高巍.西安电子科技大学 2015
[2]刚柔混合产品的装配工艺规划技术与应用研究[D]. 刘翊.华中科技大学 2014
[3]航天产品虚拟装配工艺设计技术及其应用基础研究[D]. 张丹.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]基于弹性杆理论的三维弯曲井眼中管柱受力及变形分析[D]. 于凡.中国石油大学(华东) 2017
[2]基于Pro/E的紧固件及线缆装配系统研制[D]. 马文斌.哈尔滨工业大学 2014
[3]拖拽下大变形柔性线缆非线性力学特性研究[D]. 郑天骄.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于悬链线理论的线缆建模和仿真研究[D]. 张永涛.南京航空航天大学 2013
[5]常微分方程数值解法及其应用[D]. 李晓红.东北师范大学 2008
[6]基于Pro/E的线缆装配规划系统的研究与设计[D]. 王金芳.南京航空航天大学 2008
本文编号：3359852
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