一种新型张拉整体并联机构刚度及动力学分析

为了提高精密机械手的操作柔顺性,提出了一种四棱柱型六自由度张拉整体并联机构模型,由4条刚性驱动支链、2条绳索驱动支链和2条弹簧支链组成。建立了机构的运动学模型,推导了机构动平台角速度、角加速度与欧拉角之间的转化关系;根据螺旋理论建立了机构的静态平衡方程,从而进一步推导出机构的刚度矩阵表达式,并得到矩阵数值解;运用虚功原理建立了机构的伪刚体动力学方程。最后,对机构的速度、加速度、动力学方程进行数值计算、仿真,验证了上述数学模型的正确性,为该机构动力学特性的深入分析和控制策略的研究提供了理论参考。     

空间3自由度冗余驱动并联机构的运动学分析

由n(n<6)条SPS主动支链和一条被动约束支链构成的并联机构结构简单而且承载能力更强,具有非常广泛的应用前景。以4-SPS/S结构的并联机构为研究对象,实现模拟船舶在海浪中的3自由度摇摆运动功能。运用螺旋理论分析4-SPS/S并联机构真实的自由运动特性。运用坐标旋转矩阵变换和矢量导数法,推导出并联机构位置逆解的解析表达式以及各主动支链和动平台的微分运动特性。运用杆长约束条件和Sylvester结式消元法,推导出该机构位置正解的解析解。仿真研究和实例验证结果表明,该机构具有4组位置正解,其中2组为实解,另外2组为虚解,验证了位置正解求解算法的正确性。     

2-UPR&2-RPU冗余并联机构动力学与功耗分析

提出一种新型2-UPR&2-RPU结构冗余并联机构,其具有两个转动以及一个移动(2R1T)自由度。运用螺旋理论分析机构的自由度及其运动特性,并利用修正的G-K公式验证分析的准确性,得出该机构含有一个冗余支链的结论。分析机构运动的约束条件,建立各支链的闭环矢量方程,求解得出机构的位置反解。基于符号运算的微分变换法对机构的速度和加速度进行分析,得到动平台速度雅克比矩阵和二阶影响系数矩阵,在此基础上进一步求解得出各支链的雅克比矩阵。运用虚功原理构建该机构的动力学模型,然后根据冗余并联机构驱动力配置方式不唯一的特点,采用驱动力二范数的优化方法推导得出驱动力和驱动功率方程。最后通过具体数值算例对所构建的运动学及动力学模型进行仿真。结果表明,在给定的运动规律的条件下,机构没有产生刚性冲击,在运动的起点和终点处,会产生一定的柔性冲击,整个运动过程驱动杆的驱动力变化平缓,驱动力二范数解所做总功为1143.2 J。     

四杆机构的运动误差分析

本文在忽略刚性构件的运动副间隙的基础上,讨论了四杆机构由于长度尺寸制造误差而引起的运动误差,推导了机构运动误差的普遍方程。     

新型三自由度混合冗余驱动机构运动学研究

在混合驱动理论和冗余驱动理论的基础上,提出新型的3-PSS-6R3自由度混合冗余驱动机器人机构.该机构能够实现二维平移和一维转动,由4条支链构成,其中3条为PSS(移动副-球面副-球面副)结构,对称分布于定、动平台中心,对机构的运动不产生约束;1条支链由平面混合驱动的五杆机构串联一个空间连杆组成,此支链同时对整个机构的运动产生约束.建立了该机构的位置逆解模型,在此基础上,运用数值方法对机构的运动学进行了验证.本文的研究结论为混合驱动机构向空间发展提供理论依据.     

三杆星型张拉整体可展结构的运动分析

针对环形桁架式可展结构组成构件过多,易发生运动副的卡顿、滑动等问题,本文提出了一种三杆星型张拉整体可展结构,并对其在外载荷作用下的运动进行了分析。建立了此三杆星型张拉整体结构的数学模型,研究了中心构件驱动下的星型张拉整体可展结构的运动过程,结合仿真分析,验证此机构方案的正确性。通过建立刚度矩阵得出节点变形量,利用迭代法分析外载荷对机构运动影响。分析可知:此三杆星型张拉整体可展结构,能够在中心构件的驱动下实现折展,机构方案正确。外载荷会使此三杆星型张拉整体可展结构在展开过程中端面半径变化出现不同步现象。     

给定连架杆对应多位置时的四杆机构综合

讨论了四杆机构在给定连架杆多组对应位置时的解的情况，采用矢量法列出机构的运动方程，用最小二乘法求出方程的最优近似解．从而得出给定连架杆对应位置时的最优近似解     

基于牛顿-拉夫森数值算法的杆机构位置求解

较为复杂的平面多杆机构位置描述常以难于求解的非线性超越方程为基础,其各杆的位置求解通常是个难点.而采用了基于矩阵求解的牛顿-拉夫森数值算法使平面多杆机构位置求解得以简化.给定各杆位置一个初始近似解,然后通过迭代的方法,最终使各杆位置的求解满足精度要求,从而获得各杆位置精确解.以平面六杆机构为例,以Matlab软件为工具简便快速的计算出机构各杆位置变化规律,证明其适用于复杂的平面多杆机构位置求解.     

2–UPR&2–RPU冗余并联机构动力学与功耗分析

提出一种新型2–UPR2–RPU结构冗余并联机构,其具有2个转动以及1个移动(2R1T)自由度。运用螺旋理论分析机构的自由度及其运动特性,并利用修正的G–K公式验证分析的准确性,得出该机构含有1个冗余支链的结论。分析机构运动的约束条件,建立各支链的闭环矢量方程,求解得出机构的位置反解。基于符号运算的微分变换法对机构的速度和加速度进行分析,得到动平台速度雅可比矩阵和2阶影响系数矩阵,在此基础上进一步求解得出各支链的雅可比矩阵。运用虚功原理构建该机构的动力学模型,然后根据冗余并联机构驱动力配置方式不唯一的特点,采用驱动力二范数的优化方法推导得出驱动力和驱动功率方程。在此基础上,使用MATLAB对所构建的数学模型编写计算程序,并通过具体数值算例对所构建的运动学及动力学模型进行仿真。最后,为了验证所构建数学模型的正确性,在ADAMS中建立机构虚拟样机并进行相同条件的仿真,将该结果与MATLAB仿真结果进行对比,两者的仿真结果基本一致,表明所构建数学模型的正确性。仿真得出各杆驱动力的最大误差分别为0.091%、1.83%、1.04%、1.40%。研究结果表明,在给定的运动规律的条件下,机构没有产生刚性冲击,在运动的起点和终点处,会产生一定的柔性冲击,整个运动过程中各杆的驱动力变化平缓,驱动力二范数解所做的总功为1 143.2 J。     

4-3型六自由度并联机构的位置正逆解分析

在对4-3型六自由度进行机构拓扑结构分析得出其耦合度为0的基础上;首先,通过顺序求解该机构各个基本运动链的位置,以求出输出平台的位置正向解析解表达式,再通过求解机构的位置反解,验证了全部正解的准确性.这种基于拓扑结构耦合度分析的位置求解方法,无须通过复杂的数学方法来建立、求解机构位置方程的一元代数高次方程,计算简易,而导出的正逆解析解便于实时控制及其后续的工作空间、误差分析等研究.     

采用改进鱼群算法的张拉整体结构找形方法

针对传统力密度法求解大规模、不规则张拉整体结构找形效率不高的问题,提出了一种力密度法与改进鱼群算法相结合的找形方法．先基于力密度法建立结构的平衡方程组, 然后采用改进的鱼群算法在力密度空间内进行全局搜索, 找出一组合适的力密度值使得平衡矩阵的秩满足求解条件, 从而找到结构的平衡构形．该算法加入了全局最优人工鱼信息, 引入了吞食行为和跳跃行为, 并采用了自适应步长, 比传统鱼群算法搜索效率更高, 不容易陷入局部极值．以扩展八面体张拉整体结构为例, 用该方法进行了找形, 并和传统鱼群算法的找形结果进行了对比分析．仿真结果表明,该找形方法的找形结果可靠, 并且收敛精度和平均最优值较传统鱼群算法均有所提高．     

张拉整体结构振动最优控制的作动器优化配置简

The simulated annealing algorithm is employed to implement the actuators placement optimization for a tensegrity structure, and the effect of actuator positioning on the vibration control of the structure is analyzed. To this end, the ANSYS model of a 4-floor tensegrity structure is built, and the state space control equation of the structure through mode transform and mode truncation is deduced. Based on optimal vibration control for the tensegrity structure, the energy of the system with respect to actuator locations is chosen as the optimal criterion. Simulation results indicate that the optimization method is effective, and that the performance of vibration control of the tensegrity structure is improved dramatically when actuators are placed in the optimal position.     

内应力假说和脆性材料特性参数的尺寸效应(Ⅰ)

根据弹性力学、弹塑性力学和能量守恒定律等基本原理．从材料的非均一性、多相性出发,提出了内应力假说,建立了一组描述尺寸效应的方程,用内应力的概念,解释了强度随试件尺寸增加而减少的现象．该假说预言材料初始切线弹模会随试件尺寸加大而减小,并由此解释了多晶冰强度和弹模随冰晶粒径改变而改变的粒径效应现象,而且本假说的理论公式与实验结果吻合良好．同时还针对脆性材料的断裂机理,直接由理论推导得出已为大量试验结果证实的脆性材料拉压二轴受力的强度公式,可预言脆性材料的断裂及裂纹位置和解释试件的破坏形态等现象,可很容易地说明为什么尺寸效应在试件尺寸大到一定程度会消失．这是一个解释尺寸效应的全新理论,是目前力学界可以同时解释以上现象的唯一理论．     

Analysis and experimental verification of relationship between external force and deformation of tensegrity structures

The tensegrity structures suffer the axial pressure in struts and the axial tension in cables and springs, so they are widely used in many engineering fields such as architecture, biotechnology, aerospace and robotics. Based on the Lagrangian dynamics and prototype experiment, the spring deformation of the tensegrity structure under the action of external forces is analyzed and measured. First, the dynamic model of the equilibrium state of the tensegrity structure is derived. The spring deformation of the tensegrity structure under the action of external nonconservative forces is analyzed. Then, by means of the prototype experiment on the tensegrity structure with six struts and three cables, the spring deformation is measured. The comparison and analysis between the experimental and numerical results validate the dynamic model of the tensegrity structure and reveal the mathematical relation between external forces and deformation of the tensegrity structure.     

基于机构位移模态子矩阵法的 铰接杆系机构奇异与运动分岔分析

提出通过追踪机构位移模态子矩阵行满秩与否来判断机构运动分岔点的新方法--机构位移模态子矩阵法.该方法将铰接杆系机构的自由节点分为驱动节点和从动节点,对应描述机构构型的变量分别为控制变量和状态变量.建立铰接杆系机构平衡矩阵,由奇异值分解得到整体机构位移模态,定义驱动节点对应的机构位移模态矩阵和从动节点对应的机构位移模态矩阵为机构位移模态子矩阵,当机构位移模态子矩阵出现非行满秩现象时,驱动节点或从动节点获得自由度,机构运动发生奇异.通过单自由度和两自由度机构算例分析证明了此方法的正确性与有效性.     

径向阵列式柔性支承扭转刚度的分析和计算

径向阵列式柔性支承属于精密弹性元件,能在有限范围精确提供角位移。文章对其最重要的性能指标(扭转刚度)进行了研究,根据力平衡法推导出阵列数为N(N≥2)的扭转刚度计算公式,分析了扭转刚度表达式的构成和物理意义,对比分析了所推导的计算公式和文献计算公式的计算精度和适用性,建立了有效的有限元计算模型,模拟计算结果证明了所推导公式的有效性。研究表明,文章所推导的扭转刚度计算公式对于所有具有矩形截面的径向阵列式柔性支承都适用,且与有限元计算结果的差值稳定在约7%。     

张拉整体结构的非线性主动控制

为了有效解决张拉整体结构在各种动态激励下的振动控制问题,保证结构的功能与安全性,研究张拉整体结构的主动控制问题.根据结构的机电耦合作动方程,推导结构的状态空间描述.基于瞬时最优控制算法和New-mark关系,推导张拉整体结构机电耦合最优控制方程.在Newmark算法的基础上引入Newton-Raphson迭代过程,考虑结构的几何非线性效应,实现了张拉整体结构的机电耦合非线性主动控制.以双层柱状张拉整体结构在随机激励下的振动控制为例,验证了算法的正确性与可行性.     

张力结构形状调整优化分析

通过在张力结构杆件中引入作动器,主动调整杆件的长度,改变结构的形状,以提高张力结构的刚度和减小结构受力.定义了结构的合理工作状态系数,得出了作动器与杆件串联时的综合刚度和考虑作动器主动变形量的结点位移方程.以结构工作状态系数最小为目标,以作动器主动变形量为未知量,考虑索的应力约束、结点的位移约束以及作动器参数等约束条件建立了优化模型,编制了相应的求解程序.通过算例表明,作动器工作调整张力结构的形状后,在相同荷载作用下,结构的刚度大大提高,并且通过合理地布设作动器,可以达到杆件受力减小而结构刚度增大的优化目的.     

凸轮激波摆动活齿传动齿形及啮合力分析

为研究凸轮激波摆动活齿传动啮合副受力情况,根据其传动原理得到了中心内齿轮的理论、工作齿形方程.基于弹性小变形及变形协调建立了理想状态下的啮合副受力模型,给出了啮合副作用力的搜索算法,并结合具体实例分析,初步获得了凸轮激波摆动活齿传动的啮合副作用力分布趋势.