基于两种柔顺单元柔顺机构的动力学研究与仿真

发布时间：2017-08-17 14:31

  本文关键词：基于两种柔顺单元柔顺机构的动力学研究与仿真

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【摘要】：随着现代机构学的发展，柔顺机构的应用越来越广泛，在医疗中的微创手术、通信中的微开关技术以及在精密定位、精密和超精密制造、精密操作、微机电系统（MEMS）中都具有广泛的应用。目前，柔顺机构研究的热点包括：柔顺机构的静力学与运动学分析；柔顺机构的动力学研究；柔顺机构的拓扑优化设计。其中，柔顺机构的动力学研究相对较少，柔顺机构的设计与研究通常是很复杂的，虽然应用领域很广，但是柔顺机构的设计通常只是为了满足需求的任务要求，对于柔顺机构本身动力学特性都没有做深入的研究。 本文以柔顺铰链单元与柔顺杆单元两种基本柔顺单元为研究对象，主要研究了由两种柔顺单元构成的三类柔顺机构的动力学研究方法。 本文首先以柔顺铰链单元为研究对象，研究了三种柔顺铰链的弯曲刚度与拉伸（压缩）刚度的计算方法，且利用有限元软件进行了仿真实验，理论分析值与仿真数据进行了对比分析，证明了理论推导的准确性，，也证明该理论推导结果可用于柔顺机构动力学研究之中。随后，利用梁的纯弯曲理论研究了三种柔顺铰链的正应力、剪应力分布情况，得到了三种柔顺铰链在受弯矩情况下的最大正应力、最大剪应力的发生位置与大小，为柔顺铰链的设计提供理论支持。 其次，利用伪刚体模型法建立了两种约束方式柔顺杆的伪刚体模型，并研究了两种约束下柔顺杆的动能与势能，主要进行了动能公式的推导以及动能当量系数的数值拟合，从而简化了柔顺杆动能的计算公式，为含柔顺杆柔顺机构的动力学研究提供了基础。 基于两种柔顺单元的理论研究结果，本文研究了由两种基本柔顺单元构成的三类柔顺机构的动力学研究方法。研究了一种含柔顺铰链的柔顺五连杆滑块机构，利用伪刚体模型法对其进行了静力学、运动学、动力学分析，随后利用动力学仿真软件进行了动力学仿真，得到了铰接点处的受力情况以及扭转弹簧的变形与受力情况。仿真实验的数据可以为柔顺机构的优化设计提供理论支持；含柔顺杆柔顺机构的动力学分析通常很复杂，本文利用伪刚体模型法对一种平行-导向柔顺杆柔顺机构进行了动力学建模。对于大变形的全柔顺杆柔顺机构，本文介绍了ANSYS有限元非线性技术，并举例进行了仿真实验。同时，针对该类型柔顺机构提出了一种新的设计方法，从而可以提高全柔顺杆柔顺机构的设计与研究效率；最后，研究了一种混合柔顺单元柔顺五连杆机构，利用伪刚体模型法对该机构进行了动力学建模，并进行了动力学特性分析，研究了各参数对系统固有频率的影响且对该机构进行了有限元仿真，得到了该柔顺机构的模态振型图以及应力分布图，为该机构的设计提供了理论支持。
【关键词】：柔顺机构 柔顺铰链单元 柔顺杆单元 伪刚体模型 动力学 仿真
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 柔顺机构的静力学研究12-13
• 1.2.2 柔顺机构的动力学研究13-14
• 1.2.3 柔顺机构的优化设计14-15
• 1.2.4 基本柔顺单元的研究15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-19
• 1.4 本章小结19-20
• 2 柔顺铰链的设计与分析20-39
• 2.1 椭圆形柔顺铰链的设计与分析21-27
• 2.2 弓形柔顺铰链的设计与分析27-30
• 2.3 倒圆角形柔顺铰链的设计与分析30-35
• 2.4 柔顺铰链的力学特性35-38
• 2.5 本章小结38-39
• 3 柔顺杆单元的设计与分析39-49
• 3.1 固定-自由柔顺杆受弯矩情况下的动能与势能39-44
• 3.2 固定-导向柔顺杆受弯矩情况下的动能与势能44-48
• 3.3 本章小结48-49
• 4 含柔顺铰链的五连杆滑块机构的动力学研究与仿真49-66
• 4.1 柔顺五连杆滑块机构运动学及静力学分析51-54
• 4.2 柔顺五连杆滑块机构动力学模型的建立54-57
• 4.3 柔顺五连杆滑块机构动力学分析57-61
• 4.4 柔顺五连杆滑块机构的动力学仿真61-65
• 4.5 本章小结65-66
• 5 含柔顺杆柔顺机构的动力学研究与仿真66-83
• 5.1 平行导向柔顺机构的动力学建模67-69
• 5.2 全柔顺杆柔顺机构的设计69-82
• 5.2.1 全柔顺杆柔顺机构的几何非线性分析与仿真69-74
• 5.2.2 一种全柔顺杆柔顺机构的设计方法74-79
• 5.2.3 全柔顺杆柔顺机构几何非线性分析及拓扑优化79-82
• 5.3 本章小结82-83
• 6 混合柔顺单元柔顺五连杆机构的动力学研究与仿真83-92
• 6.1 柔顺五连杆机构模型的建立83-84
• 6.2 柔顺五连杆机构伪刚体模型的建立84-85
• 6.3 柔顺五杆机构的动力学特性分析85-88
• 6.4 柔顺五杆机构的有限元仿真88-91
• 6.5 本章小结91-92
• 7 总结与展望92-94
• 参考文献94-99
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果99-100
• 致谢100

【参考文献】

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本文编号：689548