分布式全柔顺机构伪刚体建模

分布式全柔顺机构不包含刚性杆件和运动副,其运动与能量的转换完全由柔顺构件的变形来实现,具有结构简单、质量轻和无关节间隙等优点.以J型储能脚为例研究此类机构伪刚体建模方法.为了提高模型精度,将柔顺机构等效成弹性铰接多刚体系统,基于柔顺构件的几何形状和刚度分布提出伪刚性段划分的曲率原则与刚度原则,给出等效关节扭簧常数的修正计算公式.应用影响系数理论给出弹性铰接多刚体系统受力变形的计算公式.通过与有限元计算结果对比,讨论伪刚体模型分段方法、段数和扭簧常数等因素对模型精度的影响,验证基于几何形状和刚度分布的伪刚性段划分方法的合理性,并获得了J型储能脚合理的划分段数和修正系数值.本建模方法不仅适用于开环分布式柔顺机构,还可以进一步应用于闭环分布式柔顺机构的伪刚体建模.     

一种柔顺五杆机构的动力学建模与仿真

以一种柔顺五杆机构为模型,该机构包含柔性铰链与柔性杆。通过伪刚体模型法建立了伪刚体模型,并进行了动力学分析。随后,进行了该机构的频率特性分析以及受力分析,为下一步该机构的设计奠定了的理论基础。     

柔顺机构动力学建模新方法

由于柔性杆大变形所引起的几何非线性因素的影响,柔顺机构动力学模型的建立变得更加复杂、困难。基于此,在充分考虑柔性杆大变形特性的基础上,基于简化思想,提出一种柔顺机构动力学建模的新方法。该方法主要以末端受纯弯矩、垂直力以及固定—导向等3种模式下的柔性杆为研究对象,根据欧拉—伯努利方程,并结合伪刚体模型所得边界条件,利用最小二乘原理,拟合柔性杆的变形曲线方程;通过求解变形曲线对时间的导数,得到其上任意点的速度,进而推出柔性杆的动能表达。基于伪刚体模型,根据功能转换关系,推导出柔性杆的变形势能。在此基础上,建立平行导向柔顺机构的动力学模型。最后,结合具体算例,通过对几种不同模型所得系统频率比较分析,验证了该方法的有效性。     

力矩载荷下的柔顺机构2R伪刚体动力学模型

柔顺机构的研究在结构学及运动学方面取得了大量成果,但是在动力学方面的成果却很少。本文首次以柔顺杆为研究对象,建立其在力矩载荷下的2R伪刚体动力学模型,并应用拉格朗日方程推导出动力学方程,进行了动力学响应分析,给出了相应的动态位形图。同时与1R伪刚体动力学模型做比较,从方程、响应曲线等方面分析2R伪刚体动力学模型的特点,表明此模型的优越性。     

平行导向柔顺机构动力学建模及其频率特性分析

基于柔性体模型,结合伪刚体模型所得边界条件,建立了平行导向柔顺机构的动力学模型.以此动力学模型,讨论柔性杆截面参数、几何结构参数以及材料性能参数对系统频率的影响.所得结论对柔顺机构的结构设计及其工程应用提供理论指导.     

椭圆柔性铰链柔顺机构的动力学建模与分析

以椭圆的离心角为积分变量,得到椭圆柔性铰链的转角计算的积分公式,推导出椭圆柔性铰链的刚度表达式.在此基础上针对一种应用广泛的含椭圆柔性铰链的柔顺机构,建立其动力学模型,得到该机构系统的固有频率计算公式.通过算例分析了该机构的各种参量对系统固有频率以及柔性铰链刚度的影响.     

Closed-Form Modeling and Analysis of an XY Flexure-Based Nano-Manipulator

Flexure-based mechanisms are widely utilized in nano manipulations. The closed-form statics and dynamics modeling is difficult due to the complex topologies, the inevitable compliance of levers, the Hertzian contact interface, etc. This paper presents the closed-form modeling of an XY nano-manipulator consisting of statically indeterminate symmetric(SIS) structures using leaf and circular flexure hinges. Theoretical analysis reveals that the lever's compliance, the contact stiffness, and the load mass have significant influence on the static and dynamic performances of the system.Experiments are conducted to verify the effectiveness of the established models. If no piezoelectric actuator(PEA) is installed, the influence of the contact stiffness can be eliminated. Experimental results show that the estimation error on the output stiffness and first natural frequency can reach 2% and 1.7%, respectively. If PEAs are installed, the contact stiffness shows up in the models. As no effective method is currently available to measure or estimate the contact stiffness, it is impossible to precisely estimate the performance of the overall system. In this case, the established closed-form models can be utilized to calculate the bounds of the performance. The established closed-form models are widely applicable in the design and optimization of planar flexure-based mechanisms.     

实现高载荷下机翼前缘形状变化的柔性机构优化设计

为使柔性机构在高载荷作用下能实现预期的形状变化,提出了柔性机构的二次优化设计方法。以柔性机构的变形边界与目标边界间的最小平方差(LSE)为优化目标。采用遗传算法(GA),对柔性机构进行全局优化,求得其初始拓扑解;再采用约束随机探索法进行二次优化,求得柔性机构尺寸的精确解。以柔性机构实现机翼前缘形状变化问题为例,运用MATLAB7.1进行编程计算。结果表明,通过对GA初始拓扑解的二次优化,最小平方差下降了31.48%。最后运用ANSYS验证其变形结果基本一致。     

柔性机构拓扑优化设计研究

介绍了柔性机构拓扑设计现状,讨论了柔性拓扑优化设计模型的建立,非线性求解技术和伴随矩阵敏度分析技术,并给出简单的算例说明算法的可行性.最后指出了机构拓扑优化设计的发展方向、需要解决的问题以及可能解决的方案等.     

柔顺机构拓扑图提取

柔顺机构拓扑优化所得机构是非光滑锯齿状跳跃边界的几何图像,不能直接应用于工程实际,因而研究柔顺机构拓扑图提取就显得十分必要。基于此,给出了一种柔顺机构拓扑图提取的新方法。首先,对柔顺机构拓扑所得灰度图像进行二值化处理,找到满足目标函数的罚值,得到只有0和1密度分布的锯齿跳跃边界图像。然后,采用密度等值线方法,求节点密度,对锯齿跳跃边界进行光滑近似。第三,针对柔顺机构性能特点,选择适合形状优化的变量参数,用样条曲线对光滑边界进行曲线重构,得到CAD系统可以识别的参数化模型。最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性。     

偏载状态下集束式潜孔锤气流调节机构同步特性分析

针对现有集束式潜孔锤钻孔凿岩作业时集中气流无法调节的问题,设计了一种集束式潜孔锤气流调节机构,采用多油缸驱动,为保证气流能够均匀调节及分配,要求驱动油缸运动时保持同步.试验验证了不同负载模式下,调节机构在不同控制阀作用下的同步特性.结果 表明:在均匀负载状态下,分流集流阀及比例阀的同步特性较好;随着负载偏载载荷加大,分...     

柔顺机构驱动力矩分析

基于伪刚体模型,对一个柔顺曲柄滑块机构的原动件驱动力矩问题进行了研究,分析了当给定从动件运动规律时原动件的驱动力矩问题,得出了主动件驱动力矩与机构参数间的关系,讨论了在一定运动条件下,当原动件获得最大精入力矩时机构各参数的优化设计方案,并提出力矩优化设计模型.通过算例表明该方法可行.     

基于解析法的凸轮机构参数化建模与仿真

运用速度瞬心和位移变换矩阵的解析法,计算凸轮廓线的方程,提供了一种简便方法。并基于CAD/CAE软件UG提出了虚拟样机建立的新方法,过程中采用全参数化的方法,实现了变量与模型间的相关性。运用UG的曲线特性分析功能对设计曲线进行分析,还通过运动仿真对设计结果进行分析和验证,为凸轮机构的设计提供了依据。     

空气负载模拟机构位置控制系统的建模与仿真

以作动筒性能测试装置的空气负载模拟机构为基础,以实现其初始容腔快速精确调整为目标,对机构中位置控制系统进行了建模与仿真。针对位置控制系统的非线性特征,推导出数学模型,并通过MATLAB/Simulink仿真分析了基于模糊PID控制的控制效果。仿真结果表明推导的数学模型较真实地反映了空气负载模拟机构位置控制系统的特性,为实现空气负载模拟机构初始容腔快速精确调整奠定了理论基础。     

曲梁三角形柔性铰链力学建模与分析

直簧片柔性铰链研究结果表明,簧片的约束行为对柔性铰链的刚度和精度特性具有本质影响,而具有放松约束行为的弯曲簧片一直缺乏系统研究,其非功能方向的约束特性具有重要研究价值.尤其对于曲梁三角形柔性铰链,建立直观的力学模型,对于放松约束行为的曲梁柔性铰链拓扑研究具有重要意义.基于Awtar曲梁模型公式,在普遍受力状态下,建立基于曲梁的三角形柔性铰链转角数学模型,并推导出轴漂数学模型,理论分析与有限元分析结果精确吻合,说明数学模型的正确性,同时,计算结果表明,曲梁柔性铰链约束行为具有较多变化,为新型柔性铰链的设计提供了新的思路.     

单轴柔性换向机构刚度分析

针对某些场合由于空间有限需要换向的情况,设计了一种单轴柔性换向机构。基于线弹性及小变形理论,推导了圆弧形柔性铰链平面内柔度矩阵各参数的解析计算公式,得到了圆弧形柔性铰链的平面内柔度矩阵,计算出了柔性换向机构内柔性铰链的柔度矩阵,并通过有限元软件对该计算结果进行了验证。推导出了柔性换向机构的刚度以及传动比,并通过有限元软件和实验对该计算结果进行了验证。结果表明:在柔度矩阵各项参数的解析值与有限元仿真值之间的相对误差中,除c22项误差较大(-11.84%)以外,其他项误差均在4%以内;柔性换向机构刚度及传动比的解析值与仿真值之间的相对误差分别为-3.31%和5.27%;柔性换向机构刚度及传动比的解析值与实验值之间的相对误差分别在6%与11%以内。     

柔顺机构的疲劳可靠性优化设计

基于伪刚体模型，以可靠度最大为目标，综合概率、疲劳和优化等学科的知识，给出了一种对柔顺机构进行优化设计的方法。建立了基于可靠性的随机变量优化问题的一般模型，分析了将概率约束条件转化为确定形式约束条件的方法；考虑柔顺元件的变形特性，计算了其随机疲劳强度、最大应力，分析了典型的约束形式；通过算例验证了该方法的正确性，结果表明，柔顺元件的可靠性对尺寸或材料特性等方面的变化比较敏感。     

考虑载荷动态分配机制的多状态系统可靠性建模及优化

多状态是现代制造装备和复杂工程系统的典型特征。由于多状态系统可靠性理论能反映系统服役阶段状态的复杂衰退规律,近年来受到了广泛的关注和深入的研究。然而,现有的大部分关于多状态系统可靠性理论的研究均假设系统中单元之间的失效规律是相互独立的。但在实际工程中,多种因素所造成的系统单元间失效规律的相关性问题不可避免,故考虑多状态系统中单元载荷的动态变化对单元失效规律的影响,利用马尔科夫模型对存在载荷动态分配机制的多状态系统进行可靠性建模和可靠度计算,分析系统的组成结构和单元的载荷动态分配策略对系统可靠度的影响规律,并在此基础上提出两层遗传算法对多状态系统的结构和载荷分配策略进行联合优化。     

平面轨迹输出柔顺机构的形状优化

2自由度平面柔顺机构具备工作空间,可以作为微动机器人载体,通过控制两个独立输入实现可控的平面运动轨迹输出。为改善设计方案的可加工性,研究该柔顺机构拓扑图轮廓提取后的形状优化问题。将柔顺机构抽象成杆件和结点形式,基于拓扑学连通性原理,提出机构区域连通性判定条件,构造窗口平移扫描式机构结点搜索算法,获得设计区域内的柔顺机构结点,在此基础上,建立杆件搜索算法,找出各杆件,实现对柔顺机构的轮廓抽象。对轮廓抽象后的柔顺机构进行轮廓重构,将其轮廓表示为简单曲线的拼接,以曲线参数作为优化变量,通过敏度分析提取关键尺寸,以柔顺机构实际输出和期望输出间的误差作为目标函数,建立轮廓曲线尺寸优化模型,得到柔顺机构的最优轮廓,从而在保持柔顺机构输出性能的前提下明显改善设计方案的可加工性。算例验证了所提形状优化方法的有效性。     

弹性箔片动压气体推力轴承承载性能研究

气弹耦合解是准确预测弹性箔片动压气体轴承承载性能的有效方法。通过引入箔片的弹性变形以及联立求解动压气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的变形方程,给出了弹性箔片动压气体推力轴承的气弹耦合解。应用气弹耦合解理论,将顶层箔片的局部弹性变形纳入考虑范围,对弹性箔片动压气体推力轴承的承载性能进行了计算和分析。有限元数值仿真结果表明:顶层箔片在气膜压力作用下的局部弹性变形直接导致弹性箔片动压气体推力轴承承载能力的降低;根据轴承瓦块上气膜压力分布的特点合理设计支承拱箔的结构形式,可以减小顶层箔片的局部弹性变形,有效提高轴承的承载能力。得到了一种承载能力较高的弹性箔片动压气体推力轴承支承拱箔结构设计方案。