柔性铰链四杆机构变形分析及仿真

发布时间：2021-04-01 19:01

柔性机构是一种靠构件的弹性变形来传递全部或部分运动或者力的一类新型机构,这类机构作为执行元件广泛应用于精密定位领域。柔性铰链是柔性机构的重要组成部分,它具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、导向精度高等诸多特点。传统的刚性铰链平面四杆机构可以实现预定轨迹,其技术在实际运用中已经趋于成熟,但由于刚性铰链受到尺寸限制,使其很难运用于微观领域,用柔性铰链替换刚性铰链,可以使得机构微型化,在微机械领域具有良好的应用前景。本文对柔性铰链四杆机构的特性进行了研究,对其力学性能和运动特性进行了分析。主要内容包括： (1)根据伪刚体模型理论,建立了柔性铰链四杆机构伪刚体模型,得到了柔性铰链四杆机构力与转角的一般计算公式。 (2)代入了不同扭簧角度变形的数值,得出了不同变形情况下,所施加的不同载荷大小。 (3)介绍了应用有限元方法对柔性铰链四杆机构进行分析的理论计算步骤,同时应用了大型有限元仿真软件ANSYS对柔性铰链四杆机构进行了建模,分析了载荷大小与危险点Von mises等效应力的关系。求出了不同力作用下构件的最大危险点应力,并与理论计算值进行比较,对仿真值与理论值之间误差产生的原因进行了分析。 (4)对ANSYS的仿真结果进行了处理,对伪刚体模型法的计算结果进行了验证,对两者所产生的结果进行了分析。 (5)通过对柔性铰链四杆机构的变形进行了分析与仿真,对柔性铰链四杆机构的设计具有一定的意义。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH112.1

文章目录

摘要

Abstract

插图索引

附表索引

第1章绪论

1.1 柔性机构概述

1.1.1 柔性机构的定义

1.1.2 柔性机构的分类

1.1.3 柔性机构的特点

1.1.4 柔性机构的应用领域

1.2 柔性机构研究现状

1.3 论文选题的意义

1.4 论文主要工作

第2章柔性铰链介绍及柔性铰链设计

2.1 柔性铰链的型式

2.1.1 交叉杆式柔性铰链

2.1.2 裂筒式柔性铰链

2.1.3 悬臂梁式柔性铰链

2.1.4 其他柔性转动副型式

2.2 柔性铰链的应用

2.2.1 柔性铰链轴承

2.2.2 柔性铰链联接件

2.2.3 柔性铰链调整结构

2.3 柔性铰链的设计

2.3.1 全柔性机构的设计及分析方法

2.3.2 机构本体的加工方法

2.3.3 材料的选取及尺寸的定义

2.4 本章小结

第3章柔性铰链四杆机构转角公式的推导

3.1 虚功原理相关概念介绍

3.1.1 虚位移

3.1.2 虚功

3.1.3 理想约束

3.2 虚位移原理

3.3 柔性铰链四杆机构运动学分析

（1）位移分析

（2）速度分析

3.4 载荷与转角公式的推导

1. 求解P2,P3,P4点坐标

2. 求解虚功

3. 求解各个扭簧的角度变化量（为正）

4. 求解扭簧角度变化量虚位移

5. 将求得的各量代入公式（3.9）进行公式推导

3.5 本章小结

第4章应用伪刚体模型法的理论计算

4.1 横力弯曲时的正应力

4.2 相关数据的计算

4.3 几何计算公式的简要推导与简化

4.4 计算θ2变化时,各对应相关数据的值

4.4.1 当θ2-θ20=0.1°时,各对应相关数据的值

4.4.2 当θ2-θ20=0.2°时,各对应相关数据的值

4.4.3 当θ2-θ20=0.25°时,各对应相关数据的值

4.4.4 当θ2-θ20=0.26°时,各对应相关数据的值

4.5 相关数据代入公式的计算结果

4.5.1 当θ2-θ20=0.1°时,相关数据代入公式的计算结果

4.5.2 当θ2-θ20=0.2°时,相关数据代入公式的计算结果

4.5.3 当θ2-θ20=0.25°时,相关数据代入公式的计算结果

4.5.4 总结所成关系及计算最大载荷的大小

4.6 本章小结

第5章柔性铰链四杆机构有限元分析的理论方法

5.1 有限元法的基本思想和基本求解步骤

5.1.1 有限元法的基本思想

5.1.2 有限元法的基本求解步骤

5.2 平面刚架问题的有限元法

5.2.1 局部坐标系的单元刚度矩阵

5.2.2 整体坐标系的单元刚度矩阵

5.2.3 整体刚度矩阵

1.整体刚度矩阵的分块形式

2. 刚度集成法原理

5.2.4 支承条件的引入

5.2.5 非节点载荷处理

5.2.6 各杆的杆端内力的求取

5.3 本章小结

第6章 ANSYS仿真分析

6.1 ANSYS简介

6.2 ANSYS软件提供的分析类型

1. 结构静力分析

2. 结构动力学分析

3. 结构非线性分析

4. 动力学分析

6.3 ANSYS分析时的前处理模块

1. 实体建模

2. 网格划分

6.4 施加载荷的类型

6.5 仿真分析

6.6 仿真结果分析

6.7 本章小结

全文总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

【引证文献】