考虑球铰间隙与柔性构件的空间多体系统动力学性能研究

发布时间：2020-08-10 09:22

【摘要】：含间隙球铰的多体系统广泛地存在于精密机械、船舶、航空航天器和机器人这些机械系统及动物骨骼系统中。随着技术的不断发展以及需求的增加,各种多体系统在高速运行时的高精密性、高稳定性和高效率性等相关的问题越来越受到相关研究人员的关注,特别是我们在航天器机构以及汽车悬架机构研究中也遇到了相关的问题。然而实际球铰中存在的间隙会使球铰组件之间发生相对运动产生碰撞力,进而影响多体系统的动力学特性,使得整个系统出现运动精度下降以及稳定性降低等问题。因此分析含间隙球铰多体系统动力学特性,降低间隙对多体系统动力学响应、运动精度和稳定性的影响已经成为相关研究的焦点。为降低球铰间隙对多体系统动力学特性的影响,本文基于工程实际新建了一种含弹性衬套的柔性间隙球铰模型。然后使用这个模型建立了含柔性间隙球铰的多体系统,并进行了相关的动力学分析。将分析结果与传统的含间隙多体系统的结果进行了对比,结果显示这种含弹性衬套的间隙球铰模型能大幅地降低间隙造成的碰撞力,具有大幅度且较全面地改善含间隙多体系统动力学特征的作用。本文研究为开展含间隙多体系统的设计、高精度分析和可靠性分析奠定了基础。本文的主要内容及创新性结果如下:1,建立了含刚性间隙球铰的多体系统动力学方程。分析了球铰间隙、间隙尺寸以及驱动速度对含刚性间隙球铰的多体系统动力学响应的影响情况。分析结果显示:间隙的存在会对多体系统的位移、速度和加速度响应造成影响,使得间隙球铰中球心运动轨迹和接触力发生变化。此外,大间隙尺寸和高驱动速度增强了间隙对多体系统动力学响应的影响。2,为减小间隙对多体系统的影响,建立了新型含弹性衬套的柔性间隙球铰模型,然后将这个新的球铰模型导入空间四连杆机构中建立了含柔性间隙球铰的多体系统动力学模型。对含柔性间隙球铰的多体系统进行动力学响应分析,并将所得结果与传统刚性间隙球铰多体系统的结果进行对比。分析结果显示,新建立的柔性间隙球铰可以使间隙球铰内的运动模式规律化,大幅度地降低间隙球铰内的碰撞力和碰撞频率,进而能明显地减弱间隙对多体系统动力学响应的负面影响。3,讨论分析了在不同间隙尺寸、驱动速度以及摩擦系数条件下柔性间隙球铰对间隙多体系统动力学响应的影响情况。分析结果显示,柔性间隙球铰能在各种条件下减弱间隙对多体系统动力学响应的负面影响,特别是在大间隙尺寸、高驱动速度或低摩擦系数的情况下减弱作用尤其明显。柔性间隙球铰还能极大地降低间隙尺寸对多体系统动力学响应的影响。4,研究了柔性间隙球铰对减弱间隙影响提高多体系统连续运动稳定的作用。讨论分析了不同间隙尺寸、驱动速度及摩擦系数下柔性间隙球铰对提高间隙多体系统连续运动稳定性的情况。分析得出,柔性间隙球铰能在各种间隙尺寸、驱动速度及摩擦系数下减弱间隙的影响,提高间隙多体系统连续运动的稳定性。在大间隙尺寸、高驱动速度或低摩擦系数下,柔性间隙球铰对提高间隙多体系统连续运动稳定性的作用尤其明显。5,对比分析了柔性连杆方案与柔性间隙球铰方案。很多学者提出可采用柔性连杆的方式来减弱间隙的影响。对比结果显示,柔性连杆方案对减弱间隙影响的作用有一定的局限性,它在一定程度上会降低间隙多体系统连续运动时的稳定性。相比于柔性连杆方案,柔性间隙球铰方案则能简单、直接且非常全面地降低间隙对多体系统动力学特性的影响,更好地改善间隙多体系统的动力学响应和连续运动稳定性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O313.7
【图文】：

多体系统,运动康复,复杂机械,确定方式

1.1 研究背景与意义多体系统是指多个物体按照确定方式通过铰相互连接而组成的具有一定拓扑结构的系统[1]。它广泛地存在于车辆、船舶、机器人、航天航空器、复杂机械等多个领域的机械系统中[2-5]。此外哺乳动物的骨骼结构也可以视为多体系统。根据机构的定义可知机构也属于多体系统。多体系统中连接各物体的元件称为铰，这个铰也就是机械学中的运动副。根据结构的不同以及相对运动方式的不同可以把这些铰分为：球铰、旋转铰、滑移铰、圆柱铰、万向铰、螺旋铰等。随着技术的不断发展以及需求的增加，各种复杂机械系统在高速运行下的高精密性高稳定性以及高效率性等问题越来越受到相关研究人员的关注[6-9]。此外由于运动康复等原因，也促使人们越来越关注人体骨骼系统。这都使得人们在对复杂多体系统进行研究分析时需要考虑的因素越来越多[10]。

考虑球铰间隙与柔性构件的空间多体系统动力学性能研究

铰间磨损

髋关节,间隙

有通过分析间隙铰组成部件之间的相对运动方式以及的影响情况，才能在此基础上进行合理的设计，从而[20,21]。因此深入研究含间隙多体系统的动力学特性具价值。(a) 间隙旋转铰 (b) 间隙球铰图 1.2 铰间磨损

【参考文献】