机械系统方案设计的能量特征状态模型
发布时间：2020-09-02 14:37
本文提出了机械系统方案设计的能量与结构特征状态的系统化建模方法,建立了运动方案设计的能量特征状态模型、结构布局方案设计的结构特征状态模型和复杂零件结构方案设计模型；解决了系统运动方案和结构布局方案设计过程难于数学描述的难题。论文工作在国家自然科学基金(No.50075012和No.51075051)和国家科技重大专项(No.2009ZX04014-034)课题资助下完成。主要研究工作如下。 本文首先提出机械系统运动方案设计的单元能量特征状态建模方法。系统传递的能量状态表现为运动和动力特征状态。基此定义实现运动和动力特征状态变换的功能载体为基本能量单元；提取能有效描述运动和动力特征状态的一组最少特征变量,构建基本能量单元的能量特征状态向量。其次,提出基本能量单元机架的能量特征状态为单元的初始特征状态,有效地解决了具有相对机架的基本能量单元的能量特征状态建模问题。第三,利用状态空间理论模型,建立了包含机架能量特征状态的基本能量单元非零初态的能量特征状态方程,从而实现了基本单元输入输出能量特征状态的模型描述。 本文采用单元组合方法研究机械系统运动方案设计的能量特征状态建模。论文首先研究单元组合方式及约束,明确单元组合过程即是引入约束的过程,并建立单元组合连接约束方程描述其组合过程。其次,综合基本能量单元的能量特征状态模型和单元组合连接约束模型,构建了机械系统运动方案设计的能量特征状态模型。非零初态的基本能量单元能量特征状态模型和连接约束方程构建的系统模型,不仅实现了串并联等组合方式的运动方案设计能量特征状态建模,而且便捷地实现了单元叠加式组合方式的运动方案设计建模。 本文提出了机械系统结构布局方案设计的结构特征状态建模方法。机械系统中的固定运动轴线的构件及固定支承的位置具有不变性,且在一定程度上反映了系统结构构成的空问布局。基此,论文首先提出系统结构特征状态是结构方案设计域中的一一种特殊的稳态。进而有效应用状态空间理论模型构建机械系统结构布局方案设计的结构特征方程。该方程架构了运动特征状态空问与结构特征状态空问映射的桥梁。其次,本文提出基本能量单元、构件方位特征方程、构件运动副连接约束方程的构建方法,并推导出运动副的方位特征模型。最后,基于基本能量单元组合的方法,研究系统结构布局方案设计的结构特征状态的系统化建模方法。 机械系统支承零件的静动态性能直接影响系统的总体性能。本文提出了基于功能约束和性能的复杂机械零件的结构方案构型设计方法,建立了基于能量特征状态和结构方位特征映射的零件结构构型设计模型。本方法将复杂机械零件的结构方案设计分为物理模型设计和结构模型设计。引入载荷及其位置约束、形状和尺寸等功能约束,建立零件物理模型；利用结构拓扑优化技术实现零件满足零件性能需求的概念模型设计,最终获得零件结构方案构型。 最后,通过实例验证了本文所提出的机械系统运动方案设计的能量特征状态建模方法、结构布局方案设计的结构特征状态建模方法和功能和性能的复杂零件结构方案设计建模方法的有效性和系统性。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TH122
【部分图文】：
三个设计阶段的设计的功能载体、功能要素和主要设计特征不同，建立各设计阶段的特征映射是建立系统方案设计统一模型的基础。本文提出的机械系统方案设计过程模型及其特征相互映射关系见图1.1。
件的坐标系为单元坐标系;利用空间向量方位特征模型，建立构件在基本能量单元坐标系下的方位特征模型。基本能量单元若由m个运动构件组成，如图4.6所示。约定基本能量单元的输入构件为连架杆，以基本能量单元的输入构件坐标系作为单元坐标系。建立各构件的笛卡尔坐标系，并分别以右下标0、卜·k.二m标识。建立构件笛卡尔坐标系规则如下:首先约定坐标原点为构件的回转中心或几何中心;约定机构的运动平面为坐标系的yoz面或平行yoz平面，构件的运动方向为坐标系的x轴方向。各构件坐标系分别表示为qxly，z〕、q凡少222、“’·q毛乃z，”’、q戈八气”’、氏丸八艺。。基本能量单元中任意两构件分别以j和k标识。约定以右上标标识相应构件坐标系，右下标表示构件;构件坐标系坐标原点以右下标。表示;位置向量以p表示。若构件j坐标系通过平移和回转变换得到构件k坐标系，其坐标系任意点在构件j坐标系中的位置向量根据式 (4.13)为
在运动副邻接构件坐标系下，定义r为运动副位置向量。基本能量单元输入和输出构件及其邻接运动副，分别以右上标1和k标识。输出运动副k中心位置向量在其邻接构件k坐标系下表示为才，如图4.7所示。图4.7令仔接的构件和运动副的方位关系 Fig.4.7OrientationralationofbetweenlinkandkinernatiePairwithadjaeeney由于构件轴线和邻接运动副运动方向相同，两者空间位置仅仅在其轴线位置的变化。因此，运动副中心位置通过构件坐标系平移获得。这种坐标平移变换对应的方向变换矩阵为单位矩阵。基于坐标变换的模型表达，定义描述构件和运动副间方位关系的连接矩阵CPr，建立构件和邻接运动副之间相对位置关系的数学模型，并以坐标变换齐次形式表达，则有[钊一CPr)创 (4.25)其中
本文编号：2810730
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TH122
【部分图文】：
三个设计阶段的设计的功能载体、功能要素和主要设计特征不同，建立各设计阶段的特征映射是建立系统方案设计统一模型的基础。本文提出的机械系统方案设计过程模型及其特征相互映射关系见图1.1。
件的坐标系为单元坐标系;利用空间向量方位特征模型，建立构件在基本能量单元坐标系下的方位特征模型。基本能量单元若由m个运动构件组成，如图4.6所示。约定基本能量单元的输入构件为连架杆，以基本能量单元的输入构件坐标系作为单元坐标系。建立各构件的笛卡尔坐标系，并分别以右下标0、卜·k.二m标识。建立构件笛卡尔坐标系规则如下:首先约定坐标原点为构件的回转中心或几何中心;约定机构的运动平面为坐标系的yoz面或平行yoz平面，构件的运动方向为坐标系的x轴方向。各构件坐标系分别表示为qxly，z〕、q凡少222、“’·q毛乃z，”’、q戈八气”’、氏丸八艺。。基本能量单元中任意两构件分别以j和k标识。约定以右上标标识相应构件坐标系，右下标表示构件;构件坐标系坐标原点以右下标。表示;位置向量以p表示。若构件j坐标系通过平移和回转变换得到构件k坐标系，其坐标系任意点在构件j坐标系中的位置向量根据式 (4.13)为
在运动副邻接构件坐标系下，定义r为运动副位置向量。基本能量单元输入和输出构件及其邻接运动副，分别以右上标1和k标识。输出运动副k中心位置向量在其邻接构件k坐标系下表示为才，如图4.7所示。图4.7令仔接的构件和运动副的方位关系 Fig.4.7OrientationralationofbetweenlinkandkinernatiePairwithadjaeeney由于构件轴线和邻接运动副运动方向相同，两者空间位置仅仅在其轴线位置的变化。因此，运动副中心位置通过构件坐标系平移获得。这种坐标平移变换对应的方向变换矩阵为单位矩阵。基于坐标变换的模型表达，定义描述构件和运动副间方位关系的连接矩阵CPr，建立构件和邻接运动副之间相对位置关系的数学模型，并以坐标变换齐次形式表达，则有[钊一CPr)创 (4.25)其中
【引证文献】
相关硕士学位论文 前3条
1 辛超超;平行轴齿轮轮系运动方案的特征建模及求解方法[D];大连理工大学;2012年
2 张永珍;基于能量特征状态模型的复杂轮系功率流研究[D];大连理工大学;2013年
3 邢俏芳;机床支承件元结构设计方法[D];大连理工大学;2013年
本文编号：2810730
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