柔顺机构动力学分析与综合

发布时间：2020-05-21 04:58

【摘要】： 柔顺机构主要靠机构中柔性构件的变形来实现机构的运动和功能。与传统刚性机构相比,它具有减少机构重量、安装时间、间隙和摩擦磨损,提高机构精度、增加可靠性、减少维护等方面的优点,适应现代科技发展对机械设备的要求,引起了学者们的广泛关注。目前,柔顺机构的绝大部分研究都是围绕着结构和运动分析以及拓扑优化设计开展的,而在动力学方面却很少涉及。随着柔顺机构的应用范围和工作要求的不断提高,如何改善柔顺机构的动力学特性,提高柔顺机构设计水平,将成为柔顺机构领域的关键问题,此项研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文以平面柔顺机构为研究对象,重点研究柔顺机构动力学问题,主要包括建模与特性分析、优化设计和实验研究等方面的内容。 首先,建立了以柔性铰链为主要特征的柔顺机构动力学模型。推导出四种常见柔性铰链的刚度计算公式,并分析柔性铰链各参数对其刚度的影响。在此基础上,针对平行导向柔顺机构和曲柄滑块柔顺机构,应用拉格朗日方程,建立了该柔顺机构动力学模型。 其次,建立了以柔顺杆为主要特征的柔顺机构动力学模型。首先充分考虑杆件的大变形特性,分别采用数值拟合方法和有限元方法建立了以柔顺杆为主要特征的柔顺机构动力学模型,分析了两种模型的差别和适用范围。 再次,深入分析了柔顺机构的动力学特性。计算了柔顺机构的固有频率;研究了机构参数对动力学性能的影响及其灵敏度问题;分析了柔顺杆的动态应力及应变,给出了杆件最大动应力以及发生的位置;基于动应力造成的累积疲劳损伤,预测了杆件的疲劳寿命;推导出以柔性铰链为主要特征的柔顺机构驱动力矩的计算公式,分析了柔性铰链刚度及未变形位置与驱动特性之间的内在关系。 然后,进行了柔顺机构的优化设计。根据柔顺机构的特点,探讨了柔顺机构材料的选择准则;以固有频率、驱动力矩等为约束条件,以柔性铰链的刚度最小为优化目标,对以柔性铰链为主要特征的柔顺机构进行了优化设计;还分别以柔顺机构总质量最小、变形能最大为优化目标,以固有频率、动应力等为约束条件,优化设计出了以柔顺杆为主要特征的柔顺机构。 最后,进行了柔顺机构的实验研究。设计、加工了一个平行导向柔顺机构。对该平行导向柔顺机构的固有频率及应变等问题进行了实验研究,通过实验结果与理论计算结果的对比和分析,相互验证了实验系统和理论模型的有效性和正确性。
【图文】：

图 1-1 柔顺机构Figure1-1 Compliant mechanisms和设计方面，将会产生较大的影响。因此，，柔顺机构动力学的研究亟待高。本文就是以认识和改善柔顺机构的特性、提高柔顺机构的设计水平为系统地研究柔顺机构动力学建模、性能分析、优化设计和实验研究等方，以形成柔顺机构动力学研究的理论和方法，为柔顺机构综合性能的改的思路和途径。2 文献综述为了进一步明确本文的研究内容及方法，有必要先对相关领域的研究现要回顾。从二十世纪八十年代后期开始，柔顺机构就开始引起了机械科程师们的高度重视[3]，在柔顺机构的研究中，美国Missouri大学的Midha

b) 伪刚体模型图 2-1 短臂柔铰及其伪刚体模型2-1 Small-length flexural pivot and its pseudo-rigid-bod( )0lEIMl= θ和(2-9)，并注意M = T和0θ = Θ，可知弹簧常( )lEIKl= 的弹性模量；惯性矩，3112I = t w， t 为短臂柔铰的厚度， w知，弹簧常数K 与短臂柔铰的弹性模量E 、铰-15-
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH112

【引证文献】

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3 朱凡;基于共光路光束漂移测量与同步补偿的激光自准直技术[D];哈尔滨工业大学;2013年

相关硕士学位论文 前6条

1 刘振;Small Tools结构设计与分析[D];吉林大学;2011年

2 朱明;适用于微位移机构的弹性铰链特性分析及试验研究[D];南京航空航天大学;2011年

3 罗维;二自由度柔性铰链连杆机构的设计方法与综合特性研究[D];中北大学;2012年

4 赵雷;基于柔性铰链设计的直线超声电机运动平台动力学研究[D];南京航空航天大学;2012年

5 李莉莉;大变形的链式算法及其在柔顺机构分析中的应用[D];西安电子科技大学;2012年

6 焦国涛;基于柔性压头的调平技术研究[D];大连理工大学;2013年

本文编号：2673758