基于方位特征的六自由度并联机构型综合

应用基于方位特征集的机构拓扑结构设计理论与方法,综合了10余种低耦合度六自由度并联机构的拓扑结构,给出了综合的过程与步骤,对机构结构进行了特性分析及分类。该方法几何与物理意义明确,所用数学方法简单,适用于无过约束机构和一般过约束机构的拓扑结构设计,且机构存在的几何条件具有一般性。     

基于方位特征集的两转动（0T-2R）并联机构的型综合及其应用

应用基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计理论与方法,对两转动（0T-2R）输出的并联机构进行了型综合;在阐述基于方位特征集的并联机构型综合一般过程和步骤的基础上,给出了两转动输出并联机构拓扑结构设计的具体方法,综合得到了14种两转动输出并联机构,其中,6种机构为该方法综合得到,然后按它们的结构特性进行了初步分类,并将优选的一种两转动并联机构用于太阳能二轴跟踪机构的研制。该型综合方法运算规则少,数学方法简单,几何与物理意义明确,适用于所有无过约束和一般过约束机构。     

第1届上银优秀机械博士论文奖

变胞并联机构的结构设计方法与运动特性研究作者:张克涛毕业学校:北京交通大学指导教师:方跃法,戴建生空间机构拓扑与几何结构描述是机构学至关重要的研究内容,也是机构创新设计所依据的重要基础理论之一。本文针对包括变胞机构在内的空间机构拓扑与几何结构的数学描述,提出了能够准确描述机构拓扑结构约束的新方法。将变胞机构的     

基于向量组的动静平台几何装配条件自动分析与综合方法

基于方位特征集理论,提出了一种基于向量组的动静平台几何装配条件自动分析与综合方法,给出了其主要步骤和流程图。实例分析表明：在并联机构拓扑结构设计过程中,提出的自动分析与综合方法可综合出更多的机构,且综合出的机构更具一般性;在并联机构拓扑结构分析与综合过程中,所提出的方法减少了对设计者人为经验、灵感等因素的依赖,提高了并联机构拓扑结构综合的效率,方便计算机对机械系统进行自动分析与综合。     

一平移三转动并联机构型综合及分类

应用基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计理论与方法,对一平移三转动(1T-3R)输出的并联机构进行了型综合;在阐述基于方位特征集的并联机构型综合一般过程和步骤的基础上,给出了一平移三转动输出并联机构拓扑结构设计的具体方法;基于该方法得到了39种一平移三转动输出并联机构,包括以前设计出的机型和部分新机型,并对它们进行了分析和分类。     

避免瞬时运动2T1R并联机构的拓扑综合

介绍了一类避免瞬时运动两转动一移动(2T1R)并联机构综合的详细过程.根据约束螺旋与运动螺旋之间的几何关系,找到了并联机构瞬时运动产生的拓扑规律,可以简便地判断并联机构的瞬时运动,并用于避免瞬时运动的并联机构综合.在3-RPS并联机构基础上,综合得到两种结构新颖、避免瞬时运动的两转动一移动并联机构.     

精密机械运动学结构设计方法的若干新进展

精密机械运动学结构设计方法以自由度和约束的视角统一处理机械设计问题,是重要的机械设计方法之一。文中综述了运动学设计的发展背景及最新进展,主要包括精确约束的概念、基本方法、自由度约束拓扑理论及其在柔性机构构型综合方面的应用。这些新进展有助于设计师设计出新型机械装置,具有很好的应用前景。     

柔顺机构几何非线性拓扑优化设计

对柔顺机构几何非线性拓扑优化设计理论进行了深入研究。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应。其次,基于固体各向同性材料插值方法,建立体积约束下,输出位移最大为目标函数的柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型,目标函数敏度分析采用伴随求解技术,并用移动近似算法进行迭代求解。最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性。研究结果表明,应用上述方法对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化设计能够得到合理拓扑图,并比线性分析所得机构的稳定性更高,同时也说明了对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化的必要性。     

含有Heaviside密度映射的构型平稳变化的柔性机构拓扑优化设计

现有柔性机构拓扑优化方法在解决柔性机构拓扑优化的类铰链和灰度问题仍存在一些困难。为获得清晰和不含类铰链的优化拓扑,提出了一种构型平稳变化的结构拓扑优化求解方法。首先,构建了一种能综合表征柔性机构输入和输出端的局部刚度特性的加权组合柔顺度函数;而后,引入加权组合柔顺度的小量变化约束、Heaviside密度映射和变约束限方案,建立了柔性机构构型平稳变化的优化模型;最后结合MMA算法,形成了一种构型平稳变化的柔性机构拓扑优化方法。给出的算例结果表明,相比于现有方法,该方法计算公式简单,可获得清晰且无类铰链的拓扑构型。     

基于拓扑特征的并联机构拓扑变换

引入拓扑学理论,定义了并联机构的拓扑空间,分析了并联机构的拓扑特征;研究了并联机构的拓扑变换方法,给出了6-PSS并联机构的4种拓扑结构的几何模型,为并联机构构型的研究提供了理论基础和创新方法。     

变胞机构与机构再生运动链综合研究

变胞机构是机构在运动的过程中通过改变构件或运动副的数量或类型从而完成不同的功能,而机构再生运动链方法是根据初始机构通过综合理论得到所有可能的运动链的一种机构创新方法,由于这两种方法都要利用拓扑结构来表达,因此笔者创造性的将两种方法利用其内在的拓扑关系结合起来,从而提出了基于拓扑的变胞机构再生运动链创新方法,该方法为利用再生运动链对变胞机构的创新提供一定参考依据。     

Spring-joint method for topology optimization of planar passive compliant mechanisms

There is seldom approach developed for the initial topology design of flexure-based compliant mechanisms. The most commonly-used approaches, which start with an existing rigid-body mechanism, do not consider the performances between different topologies. Moreover, they rely heavily on the rigid-body topology, therefore limit the diversity of compliant mechanisms topology. To obtain the optimal initial topology of such mechanisms directly from problem specifications without referencing to the existing mechanism topologies, a spring-joint method is presented for a restricted class of the serial passive flexure-based compliant mechanisms, which are the building blocks of parallel compliant mechanisms. The topology of the compliant mechanisms is represented by a serial spring-joint mechanism（SSJM） that is a traditional rigid-body mechanism with a torsional spring acting on each joint, and is described by position vectors of the spring-joints. A simplified compliance matrix, determined by the position vectors, is used to characterize the tip of the SSJM kinematically, and is optimized to ensure the desired freedoms of the compliant mechanisms during optimization. The topology optimization problem is formulated as finding out the optimal position of the spring-joints in a blank design domain with an objective function derived from the simplified compliance matrix. In design examples, syntheses of the compliant mechanisms with both single freedom and two decoupled freedoms are presented to illustrate the proposed method. The proposed method provides a new way for the initial design of flexure-based compliant mechanisms.     

基于拓扑结构分析的求解6-SPS并联机构位置正解的研究

建立机构拓扑结构复杂性和位置正解求解难易性的关系,提出按机构耦合度k大小来分类求解并联机构位置正解全部实数解的数值法,可使正解问题求解容易,具体内容包括：对39种不同构型的6-SPS并联机构,按6种基本机型、33种衍生机型的拓扑结构及其耦合度值分为k=0、1、2、3四类,分析得到了动平台边数、支链类型影响耦合度k值大小的规律。对不同k值的并联机构的位置正解求解指明明确的求解方向,即：对k=0的机构可容易地直接求解其解析正解;对k>0的机构,通过虚设k个SPS型支链,使之转化为k=0的虚拟并联机构,并基于杆长条件建立k个仅含一个变量的杆长相容性方程,再采用k维搜索法求出实数解。以六自由度球面Stewart机构为例,给出了求解耦合度k=1的任意6-DOF SPS并联机构位置正解全部实数解一维搜索法的具体步骤。这种基于拓扑结构分析的6-SPS并联机构位置正解求解的数值法,求解原理简单,计算量小,且具有一般意义。     

变拓扑机构结构组成理论

研究得出了变拓扑机构(含变胞机构)新的结构组成理论。提出并定义变拓扑机构的不变元、不变子链、变元、可变子链、变胞器等新概念;给出并严格证明变拓扑机构结构组成的4个新定理,它们分别是变拓扑机构结构与其各阶段构态的关系定理;变拓扑机构的不变子链定理;变拓扑机构的可变子链定理;变拓扑机构的组成定理。研究得出并严格证明关联关系变胞器的等效转化定理。研究变胞器的分类,并给出构件变胞器、连接变胞器和关联关系变胞器的图形描述。变拓扑机构结构组成理论为变拓扑机构的结构分析和综合奠定了新的理论基础。     

变拓扑机构理论的基本问题

研究了变拓扑机构理论的三个基本问题：变拓扑机构的定义、变拓扑机构的基本变拓扑方式及其相关性。主要以图论和点形图理论为工具,在定义机构拓扑结构、机构理想化、理想机构、机构的元和变元集等新概念基础上,提出了变拓扑机构新概念,并给出了严谨的数学定义。提出了变拓扑机构的三种基本变拓扑方式,准确表述了三种基本变拓扑方式的内涵。基本变拓扑方式是变拓扑机构拓扑结构变化的基本原理之一。依据该基本原理,发现、提出并充分证明了变拓扑机构基本变拓扑方式的两个相关性定理及其三个推论。     

分布式柔性机构拓扑优化设计的理论和算法

将连续体结构的拓扑优化技术应用到分布式柔性机构的设计中,基于变密度法和优化准则法推导并建立柔性机构拓扑优化的一种显式的设计变量收敛格式。结合分布式柔性机构优化设计的人工弹簧模型和虚拟载荷法,提出一种新型的分布式柔性机构拓扑优化设计的多准则优化模型,同时综合考虑柔性机构设计的机械效率要求和结构的刚度要求,并利用伴随敏度分析法进行敏度分析。数值算例证明研究方法的有效性,并分析和讨论优化模型和收敛格式中有关优化设计参数对柔性机构优化设计结果的影响。用激光快速成形技术验证柔性机构概念设计的合理性。     

基于均匀化方法的柔顺机构的拓扑优化设计

基于柔顺机构拓扑优化设计的均匀化方法，给出了柔顺机构应变能和互应变能的算法，建立了柔顺机构多目标优化设计的模型并给出了相应的求解方法。最后通过算例说明了方法的可行性。     

基于基础结构法的柔顺机构动力学拓扑优化

提出一种新的在简谐激励作用下,基于基础结构法的柔顺机构动力学拓扑优化方法.框架单元能够包含弯曲模式,因此采用它的集合表示设计域.以动力放大系数最大化与应变能的最小化加权函数为目标,满足在动态条件下柔顺机构具有足够柔度和刚度;并且规一化目标函数避免不同性质目标函数的量级差异.目标函数的敏度采用伴随矩阵法求解,用移动近似算法对优化问题进行迭代求解.通过数值算例对不同外激励频率和不同输出刚度的拓扑优化结构进行分析讨论.结果表明,该方法在柔顺机构动力学拓扑优化设计中是正确的和有效的.     

An integrated knowledge representation model for the computer-aided conceptual design of mechanisms

An integrated knowledge representation model, namely the topology structure behaviour function (TSBF) model, is presented for the computer-aided conceptual design of mechanisms (MCACD) in this paper. The model covers both qualitative and quantitative knowledge representations of generic mechanisms. A class hierarchy consists of the abstract mechanism, the embryo mechanism, and the concrete mechanism is then proposed for object-oriented modelling. Based on the TSBF model, several reasoning techniques are integrated to achieve a relatively comprehensive environment for MCACD. The corresponding reasoning process is mainly based on a backward chaining of solutions representation and retrieval, a forward chaining of compositional behaviour reasoning with constraint propagation and satisfaction, and a forward chaining of type synthesis. Coarse optimizations for certain mechanisms are also integrated on the quantitative level. The applicability of the new model is demonstrated by the conceptual design of a zigzag mechanism.