二自由度球面并联机构UP+R静力学分析

采用拆杆法建立了机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立了机构的变形协调补充方程,进而完成了二自由度球面并联机构UP+R的静力学分析。通过计算,得到在三种载荷下构件上各力、输入转矩与机构位姿的关系图。结果表明,仅在外力作用下,机构的输入力矩恒等于零,构件上的力随机构位姿的变化比较平缓,仅在外力矩作用下,机构的输入力矩、构件上的力随着机构位姿的变化与机构的特性相关。力与力矩在构件上所产生的两部分力是独立的,并可以分离。研究结果为该机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学理论基础和依据。     

3自由度球面并联机构3-RRR静力全解

采用传统的拆杆法建立机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立机构的变形协调补充方程,进而完成3自由度球面并联机构的静力学分析.求得包括机构输入与输出载荷关系的每个构件上的全部力、力矩.通过计算,得到在三种外载荷下构件上的全部(各)力、输入转矩与机构运动位姿的关系图.结果表明,当作用在机构的外力(仅)F通过球心时,机构的输入力矩恒等于零,而构件上的力在全空间内随着机构位姿的变化比较平缓,机构等价一般结构架体而与机构的特性无关.仅在外力矩M作用下,机构的输入力矩、构件上的作用力随着机构位姿的变化与机构的特性相关(与雅可比矩阵的奇异性一致),力与力矩在构件上所产生的两部分力是独立的,并可以分离.研究为该机构在工程中的结构设计与应用提供静力学理论基础和依据.     

球面2-DOF冗余驱动并联机器人静力学全解

以球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,在考虑构件弹性的情况下,采用传统的拆杆法建立机构的静力学平衡方程,利用积分法求出各杆件变形,再运用小变形叠加原理建立机构的变形补充协调方程,共得到42个方程,但该机构为冗余机构,共有43个未知数,为此采用输入力优化方法,得到该机构静力学全解。通过数值算例,绘制输出轴在外载荷作用下沿给定轨迹的受力图。研究为该机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学理论基础。     

新型球面并联人形机器人踝关节机构静力学性能分析

采用拆杆法建立机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立机构的变形协调补充方程,进而完成二自由度并联人形机器人踝关节机构的静力学分析。通过数值计算,得到在三种外载荷下构件上的各力与机构位姿的关系图。结果表明:外载荷为纯力时,支链1的受力很小,支链2的受力近似为零,而中心球面副支链的受力近似等于外载荷;外载荷为纯力矩时,三个支链的受力情况相似;外载荷为力和力矩时,支链1、支链2的受力情况与外载荷为纯力矩时的受力情况相似,中心球面副支链的受力为前两种情况的叠加。外载荷中的力成分主要由中心球面副支链承载,力矩成分由三个支链共同承载。该研究为该人形机器人踝关节机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学参考。     

3-RSS/S并联机构的静力学分析与实验研究

并联机构一般通过构件矢量法进行静力学分析,文中通过该方法分别在3-RSS/S并联机构的动平台、曲柄建立静力学平衡方程,从而得到动平台所受外力矩和3个曲柄所需输出力矩之间的数学关系,得出力雅可比矩阵,作为该机构力反馈控制的数学模型.通过力反馈控制实验,验证了并联机构的静力学分析模型可以作为低速条件下力控制的理论基础.     

3-RSR/SP并联车载天线机构运动及力学特性分析

提出了一种新型3-RSR/SP并联式车载天线机构,基于螺旋理论分析机构自由度,发现在不同状态下机构自由度可变;建立机构的静力平衡方程和变形协调方程,并绘制不同工况下机构各构件所受力与机构位姿之间关系曲线;与3-RSR并联机构进行对比,所提出的机构驱动力矩较小,验证了其中间支链具有静力卸载作用。考虑车载天线的实际工况,通过拉格朗日方程法分别建立机构在基座固定和基座运动两种情况下的动力学模型,并绘制与之相应的机构驱动力矩变化曲线,表明基座运动对驱动力矩影响较大。所提出的构型有助于拓宽并联机构在天线领域的应用,特性分析对后续样机研制具有一定参考价值。     

过约束与局部自由度对机构关节约束反力可解性的影响

利用静力学平衡方程研究了一种含局部自由度的4-SPS/CU无过约束并联机构的受力分析。写出了该机构的静力学平衡方程并得出其方程组中方程个数大于未知量的个数,采用局部转换矩阵去掉了该机构中局部自由度对应的力矩平衡方程使原来的超定方程变为静定方程。说明了对机构中局部自由度的预处理提高了静力学平衡方程的求解效率。为了系统的研究过约束和局部自由度对机构静力学平衡方程的影响,分别讨论了2阶至5阶过约束机构静力学平衡方程的可解性与机构中过约束与局部自由度的关系,制定了机构中局部自由度和过约束的判定方法。证明了机构中过约束与局部自由度对机构静力学平衡方程的可解性影响具有一般性,为机构的关节约束反力求解提供了理论基础。     

4-RRS冗余球面并联机构的静力学与刚度分析

为提升球面并联机构的承载能力,提出一种4-RRS冗余球面并联机构。给出4-RRS冗余球面并联机构的构型设计。然后,建立机构的静力学模型。在锁定驱动关节的情况下,通过互易积运算求解支链作用于动平台上的反螺旋力系。基于建立的静力学模型,得出了各个关节的受力情况和各条支链的变形情况。以实例求解了冗余和非冗余情况下,支链关节受到的最大力和力矩。冗余时支链关节受到的最大力和力矩小于非冗余的情况。对机构进行刚度分析。构造机构的柔度矩阵,得出动平台中心点在受力时的广义位移。以实例对比冗余与非冗余机构的刚度与受力性能,得出了冗余时动平台的广义位移小于非冗余的情况。     

含过约束力偶的少自由度并联机构的受力分析

少自由度并联机构常常含有过约束,受力分析时就会出现静不定问题。对静不定机构进行受力分析时,为求出全部的未知量不仅要建立所有构件的力和力矩平衡方程,还要建立相应的补充方程。以含有过约束力偶的2次静不定的4-UPU并联机构为例进行受力分析。得到机构的自由度和位置反解。通过列出构件的力、力矩平衡方程和补充方程求解4-UPU并联机构处于某一位置姿态时的运动副约束反力以及与作用在机械上的已知外力和各构件的惯性力相平衡的主动力,并给出主动力和主运动副约束反力的一组数值计算结果。在分析时把运动平台与分支连接处的运动副拆开作为主运动副。首先,通过部分力和力矩平衡方程,以及补充方程确定主动力和主运动副的约束反力。然后,从上向下逐一考虑各构件的平衡,利用剩余的力、力矩平衡方程求解其他运动副的约束反力。即该方法在受力分析时能够实现部分力解耦。过约束分为过约束的力和过约束的力偶,该原理可以推广应用于其他的静不定并联机构,其中包括机构含过约束力的情况。     

基于多刚体离散元模型的柔顺机构动力分析新方法

柔顺机构是部分或者全部由其构件的预期弹性变形来传递运动和力,这使得构件的弹性变形一般都较大。它的分析一般属于几何非线性问题。基于弹性体的多刚体离散元模型,研究了柔顺段和柔顺机构的多刚体离散元建模方法,推导了柔顺机构系统的一般控制方程,该方程可以解决柔顺机构的特征频率和几何非线性变形问题。并给出了算例,计算结果表明多刚体离散元方法能较好解决柔顺机构的几何非线性静力学和动力学分析。     

新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构静刚度性能分析

提出了一种新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构,对该8次超静定机构进行了静刚度分析。首先基于各构件的弹性变形,利用小变形叠加原理,推导出机构动平台角位移、球心点线位移与各作用力的解析关系式;然后利用该机构静力学分析的结果,即各构件上的力与机构外载荷的关系方程,建立机构外载荷与机构动平台角位移、球心点线位移的解析关系,进而得到机构的静刚度矩阵;最后采用正交变换方法,得到机构的6个主刚度及其所在方向。研究结果表明,与UP+R踝关节机构相比,新型踝关节机构的角位移刚度、线位移刚度均有增大,其中线位移刚度大幅增大,基本实现刚度均衡。     

Dynamic response of a Mindlin elastic rectangular plate under a distributed moving mass

The elastodynamic response of a rectangular Mindlin plate subjected to a distributed moving mass is investigated. The set of governing characteristic partial differential equations that include the effects of shear deformation and rotary inertia is expressed in its dimensionless form. A finite difference algorithm is employed to transform the differential equations into a set of linear algebraic equations. Simply supported edge conditions were used as an illustrative example. The analysis is also valid for other edge conditions. It is found that the maximum shearing forces, bending and twisting moments occur almost the same time. Also, the values of the maximum deflections are higher for Mindlin plates than for non-Mindlin plates.     

重力对超静定结构受力的影响

目前有关超静定结构的受力分析中几乎均未考虑分支重力的影响,针对此,提出了一种考虑分支重力情况下超静定结构受力分析的方法。首先基于分支的力矩平衡方程直接求解出在分支重力作用下产生的施加给动平台的垂直分支轴线方向的约束力分量,并将其视作施加给结构的广义外力;然后基于结构变形协调关系和受力平衡方程,获得超静定结构各分支沿其轴线方向的约束力分量的完整解析表达式以及存在制造误差时装配内力的解析表达式;最后讨论了分支重力对超静定结构受力的影响机理。以平面超静定结构3-RR和空间超静定结构7-SS为例进行了实例分析,并建立对应的刚柔混合模型,进行了仿真验证。     

Constraint-force-based approach of modelling compliant mechanisms: Principle and application

Numerous works have been conducted on modelling basic compliant elements such as wire beams, and closed-form analytical models of most basic compliant elements have been well developed. However, the modelling of complex compliant mechanisms is still a challenging work. This paper proposes a constraint-force-based (CFB) modelling approach to model compliant mechanisms with a particular emphasis on modelling complex compliant mechanisms. The proposed CFB modelling approach can be regarded as an improved free-body- diagram (FBD) based modelling approach, and can be extended to a development of the screw-theory-based design approach. A compliant mechanism can be decomposed into rigid stages and compliant modules. A compliant module can offer elastic forces due to its deformation. Such elastic forces are regarded as variable constraint forces in the CFB modelling approach. Additionally, the CFB modelling approach defines external forces applied on a compliant mechanism as constant constraint forces. If a compliant mechanism is at static equilibrium, all the rigid stages are also at static equilibrium under the influence of the variable and constant constraint forces. Therefore, the constraint force equilibrium equations for all the rigid stages can be obtained, and the analytical model of the compliant mechanism can be derived based on the constraint force equilibrium equations. The CFB modelling approach can model a compliant mechanism linearly and nonlinearly, can obtain displacements of any points of the rigid stages, and allows external forces to be exerted on any positions of the rigid stages. Compared with the FBD based modelling approach, the CFB modelling approach does not need to identify the possible deformed configuration of a complex compliant mechanism to obtain the geometric compatibility conditions and the force equilibrium equations. Additionally, the mathematical expressions in the CFB approach have an easily understood physical meaning. Using the CFB modelling approach, the variable constraint forces of three compliant modules, a wire beam, a four-beam compliant module and an eight-beam compliant module, have been derived in this paper. Based on these variable constraint forces, the linear and non-linear models of a decoupled XYZ compliant parallel mechanism are derived, and verified by FEA simulations and experimental tests.     

全喂入水稻联合收割机切割机构的动力学分析与惯性力平衡

对全喂入水稻联合收割机切割机构进行了运动学和动力学分析,建立计算模型。应用动力学方程序列求解法对该机构动力学模型进行了求解,并对曲柄转动轴的作用力进行了详细分析,对曲柄的配重半径进行了优化分析,为机器减少振动奠定理论基础。     

三环减速器的受力分析

建立了三环减速器的力学分析模型,提出了适合于该类传动的变形协调方程,给出了计算实例并分析了受力情况,由此讨论了参数的选择及传动机理。