液压缸非线性动态特性及其可靠性分析方法研究
发布时间：2020-11-05 05:05
目前,随着液压缸驱动控制装置向高精度方向发展,对其动力学特性要求也越来越高。而工程结构系统通常具有多变性和复杂性,在系统运动的过程中,很多性能参数往往具有隐式和非线性特征。针对如何提高隐式非线性结构的可靠性,国内外学者对此展开了大量的研究工作并取得了成果,可靠性研究也成为目前研究的热门方向之一。本文通过阐述系统非线性弹簧刚度的产生机理与时变摩擦力改变情况,探究导致液压缸驱动控制装置自激振动和受迫振动现象的本质原因,并在此基础上利用可靠性理论,对液压缸动态特性参数进行可靠性灵敏度分析研究。主要研究内容包括:(1)静载荷和交变载荷作用下的液压缸非线性动态特性分析液压缸在低速运动时会出现时缓时急的自激振动现象,在交变和冲击载荷作用下会产生受迫振动现象,这些现象严重影响其驱动控制的稳定性和精度。通过深入阐述系统非线性弹簧刚度的产生机理与时变摩擦力改变情况,探究导致液压缸驱动控制装置自激振动和受迫振动现象的本质原因,在此基础上基于微分方程理论构建动力学模型,利用现代计算机技术进行数值仿真分析研究,揭示工作过程中液压缸动态特性的影响因素和变化规律。(2)提出一种针对隐式工程结构的可靠性灵敏度分析方法液压缸的很多动态性能参数具有隐式特征。针对隐式工程结构,以一次可靠性分析方法为基础,通过向前或中心差分法获得梯度信息,并逐步迭代搜索结构状态方程(或功能函数)极限状态表面上的验算点,利用过验算点的超平面来代替原隐式结构的极限状态表面,进行可靠度和可靠性灵敏度求解。算例表明,所提方法抽样次数少,计算精度较高。从而,为解决大型隐式工程结构的可靠性分析问题,提供了参考。(3)提出一种针对隐式和强非线性工程结构的可靠性灵敏度分析方法由于工程结构的复杂性,其模型求解除具有隐式特征外,一般还具有很强的非线性特征。针对具有隐式和强非线性特征的工程结构,提出一种新的抽样拟合法,来进行结构可靠性灵敏度分析。首先,以一次可靠性分析方法为基础获取验算点;之后,通过高次梯度搜索法,反复迭代寻找极限状态表面附近的其他训练样本点;最后,采用多项式函数或响应面函数拟合出结构的极限状态方程,进而分析工程结构的可靠性灵敏度。数值和工程算例表明,所提方法具有较高的计算精度和效率。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TH137.51;TB114.3
【部分图文】：
第1章绪论1第1章绪论1.1课题背景和意义本课题得到了吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目“抗疲劳齿轮设计及其虚拟可靠性试验方法研究”（项目编号：JJKH20191300KJ）的资助。目前，液压驱动装置已经广泛地应用于国民经济的各个领域。尤其在需要大功率、快速精确、稳定反应的工业控制领域占有重要地位。同时，随着工业领域中各种机械制造装备不断发展，工业机器人、机床设备中末端执行器的驱动精度及稳定性也受到了很高的关注[1-2]，液压驱动装置运动可靠性的研究及其动态特性分析，已成为工程技术人员和相关学者普遍关心的热点问题[3]。如图1.1所示，为工业领域中常见的机械制造装备。图1.1（a）为焊接作业中的工业机器人；图1.1（b）为正在切削“人脸”凸模的机床。（a）焊接作业中的工业机器人（b）制造“人脸”凸模的机床图1.1工业领域中的机械制造装备如图1.1所示，当机械制造装备中使用液压系统作为驱动和控制装置时，液压执行元件，如液压缸工作的动态特性将严重影响产品的加工质量和制造精度[2]。因此，研究液压缸的动态特性及其可靠性灵敏度分析方法，具有重要意义。然而，液压缸系统的动态特性参数，如位移、速度和加速度的调整时间、最大超调量等，很多都具有隐式和非线性特征。传统的可靠性灵敏度分析方法，由于计算效率、成本和精度的原因，难以直接应用于具有隐式和非线性特征的液压缸动态特性参数分析[4-5]。所以，在液压缸驱动系统动态特性分析的基础上，研究具有隐式和非线性特征的结构可靠性
第2章基本理论和方法132.4.2待定系数估计假设利用某方法设计出变量空间存在m个实验点，则相对应的输出量m个表示为m,,,yyy21y。将实验数据点进行最小二乘法拟合，则表示为msntsttsmssxyL1211012(2-22)式(2-22)中，i为误差项。要求平方和达到最小，则有21,,01001121,,010112020mnnstststmnnstststtstLyxLyxx(2-23)式(2-23)中，方程的个数与向量的数量一致。将求解式(2-23)各系数的估计值带入含有交互效应的二阶模型，该二阶模型即为所求的响应面函数。2.4.3Box-Behnken试验设计Box-Behnken试验设计是一种响应曲面设计，通过因子与不完全集区设计共同作用形成RMS法的三水平设计，使用该试验设计，可以利用较少的试验次数，有效估计多项式模型中的一/二阶系数[65]。由于Box-Behnken的设计点一般较少，所以他们的运行成本相比于同因子的中心复合设计低，三变量全因子的Box-Behnken设计如图2.1所示。由图可知，该试验设计的实验点由中心点和边中点构成。图2.1全因子试验点空间利用式(2-24)可以确定变量的水平点值ilx为1iilxilxxsp(2-24)
第3章液压缸非线性动态特性分析17面积；2A为有杆腔有效面积。根据图3.1中的受力分析可知，油液对活塞左右两腔的有效作用力，可等效为瞬时液压弹簧力tF，即2211pApAFt。根据牛顿第二定律，其动力学方程为LfctFFFFxm(3-1)式(3-1)中：tF为弹性力；fF为活塞杆运动时的摩擦力；LF为外界所受负载力；cF为阻尼力；m为缸筒的质量。图3.1单活塞杆液压缸的工作原理图3.3液压缸非线性时变特性3.3.1非线性液压弹簧力如图3.1所示的单活塞双作用式杆液压缸，当外界的负载作用到液压缸上后，驱动整个单活塞液压缸向右运动，此时液压油充满了液压缸的整个腔内，且都处于压缩状态。因此，液压缸液压弹簧在有杆腔和无杆腔的刚度加在一起才是总的液压弹簧刚度。同时当活塞的运动时，液体弹簧的长度也会随之改变，导致弹簧刚度也发生改变。根据胡克定律，可得液压弹簧刚度随活塞位移变化的规律为[12]AxxLAKxxAAKxk0222o0121o(3-2)式中，Ko为液压油体积的弹性模量；x0为活塞杆的最初位置；L为活塞杆总行程；和为待定系数。于是，根据式(3-2)可得液压弹簧刚度k随活塞位移x的变化曲线，如图3.2所示。当液压缸工况为1，0时，液压缸中的液压弹簧刚度xk)(随行程x增加逐渐变小，表现出全程软弹簧特性，此时液压缸中的回路只有进油回路，没有背压回路；当液压缸为1，1工况时，液压缸中的液压弹簧刚度xk)(随行程x增加，先逐渐变小后又逐渐变大，则此时软弹簧与硬弹簧各为半程，当液压缸工况为0，1时，液压弹簧刚度xk)(随行程x增加逐渐变大，表现出全程硬弹簧特性，此时液压缸
【参考文献】
本文编号：2871169
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TH137.51;TB114.3
【部分图文】：
第1章绪论1第1章绪论1.1课题背景和意义本课题得到了吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目“抗疲劳齿轮设计及其虚拟可靠性试验方法研究”（项目编号：JJKH20191300KJ）的资助。目前，液压驱动装置已经广泛地应用于国民经济的各个领域。尤其在需要大功率、快速精确、稳定反应的工业控制领域占有重要地位。同时，随着工业领域中各种机械制造装备不断发展，工业机器人、机床设备中末端执行器的驱动精度及稳定性也受到了很高的关注[1-2]，液压驱动装置运动可靠性的研究及其动态特性分析，已成为工程技术人员和相关学者普遍关心的热点问题[3]。如图1.1所示，为工业领域中常见的机械制造装备。图1.1（a）为焊接作业中的工业机器人；图1.1（b）为正在切削“人脸”凸模的机床。（a）焊接作业中的工业机器人（b）制造“人脸”凸模的机床图1.1工业领域中的机械制造装备如图1.1所示，当机械制造装备中使用液压系统作为驱动和控制装置时，液压执行元件，如液压缸工作的动态特性将严重影响产品的加工质量和制造精度[2]。因此，研究液压缸的动态特性及其可靠性灵敏度分析方法，具有重要意义。然而，液压缸系统的动态特性参数，如位移、速度和加速度的调整时间、最大超调量等，很多都具有隐式和非线性特征。传统的可靠性灵敏度分析方法，由于计算效率、成本和精度的原因，难以直接应用于具有隐式和非线性特征的液压缸动态特性参数分析[4-5]。所以，在液压缸驱动系统动态特性分析的基础上，研究具有隐式和非线性特征的结构可靠性
第2章基本理论和方法132.4.2待定系数估计假设利用某方法设计出变量空间存在m个实验点，则相对应的输出量m个表示为m,,,yyy21y。将实验数据点进行最小二乘法拟合，则表示为msntsttsmssxyL1211012(2-22)式(2-22)中，i为误差项。要求平方和达到最小，则有21,,01001121,,010112020mnnstststmnnstststtstLyxLyxx(2-23)式(2-23)中，方程的个数与向量的数量一致。将求解式(2-23)各系数的估计值带入含有交互效应的二阶模型，该二阶模型即为所求的响应面函数。2.4.3Box-Behnken试验设计Box-Behnken试验设计是一种响应曲面设计，通过因子与不完全集区设计共同作用形成RMS法的三水平设计，使用该试验设计，可以利用较少的试验次数，有效估计多项式模型中的一/二阶系数[65]。由于Box-Behnken的设计点一般较少，所以他们的运行成本相比于同因子的中心复合设计低，三变量全因子的Box-Behnken设计如图2.1所示。由图可知，该试验设计的实验点由中心点和边中点构成。图2.1全因子试验点空间利用式(2-24)可以确定变量的水平点值ilx为1iilxilxxsp(2-24)
第3章液压缸非线性动态特性分析17面积；2A为有杆腔有效面积。根据图3.1中的受力分析可知，油液对活塞左右两腔的有效作用力，可等效为瞬时液压弹簧力tF，即2211pApAFt。根据牛顿第二定律，其动力学方程为LfctFFFFxm(3-1)式(3-1)中：tF为弹性力；fF为活塞杆运动时的摩擦力；LF为外界所受负载力；cF为阻尼力；m为缸筒的质量。图3.1单活塞杆液压缸的工作原理图3.3液压缸非线性时变特性3.3.1非线性液压弹簧力如图3.1所示的单活塞双作用式杆液压缸，当外界的负载作用到液压缸上后，驱动整个单活塞液压缸向右运动，此时液压油充满了液压缸的整个腔内，且都处于压缩状态。因此，液压缸液压弹簧在有杆腔和无杆腔的刚度加在一起才是总的液压弹簧刚度。同时当活塞的运动时，液体弹簧的长度也会随之改变，导致弹簧刚度也发生改变。根据胡克定律，可得液压弹簧刚度随活塞位移变化的规律为[12]AxxLAKxxAAKxk0222o0121o(3-2)式中，Ko为液压油体积的弹性模量；x0为活塞杆的最初位置；L为活塞杆总行程；和为待定系数。于是，根据式(3-2)可得液压弹簧刚度k随活塞位移x的变化曲线，如图3.2所示。当液压缸工况为1，0时，液压缸中的液压弹簧刚度xk)(随行程x增加逐渐变小，表现出全程软弹簧特性，此时液压缸中的回路只有进油回路，没有背压回路；当液压缸为1，1工况时，液压缸中的液压弹簧刚度xk)(随行程x增加，先逐渐变小后又逐渐变大，则此时软弹簧与硬弹簧各为半程，当液压缸工况为0，1时，液压弹簧刚度xk)(随行程x增加逐渐变大，表现出全程硬弹簧特性，此时液压缸
【参考文献】
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3 姜万录;朱勇;郑直;张生;;电液伺服系统非线性振动机理及试验研究[J];机械工程学报;2015年04期
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7 姜万录;朱勇;郑直;;电液伺服系统动态特性的研究现状与展望[J];机床与液压;2014年19期
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10 王勇亮;卢颖;赵振鹏;孙方义;;液压仿真软件的现状及发展趋势[J];液压与气动;2012年08期
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1 解艳彩;基于响应面法的机械结构可靠性灵敏度分析[D];吉林大学;2008年
本文编号：2871169
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