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。     

基于2R伪刚体模型的柔顺机构动力学建模及特性分析

柔顺机构是利用机构中柔性构件的自身变形来实现运动、力和能量的传递和转换的一种新型机构,是机构学研究领域的前沿课题之一。以柔顺机构中的柔顺杆为研究对象,基于2R伪刚体模型(Pseudo-rigid-body model,PRBM)提出末端受不同载荷形式(力矩或垂直力)作用下的动力学新模型,分析其动能和变形能,应用拉格朗日方程推导其动力学方程。通过与1R伪刚体动力学模型(Pseudo-rigid-body dynamic model,PRBDM)对比,从方程特征、响应曲线等方面分析各动力学模型的特点,从而展示基于2R伪刚体模型的动力学模型优越性,并以平行导向柔顺机构为例验证了模型的有效性。分析结果表明,基于2R伪刚体模型的动力学模型不仅可以反映柔顺杆整体大范围变形状况,而且描述出杆件内部局部变形状况,可以更真实地体现柔顺机构的动力学特性,更加适合于柔顺机构的动力学分析与设计。*     

模拟固定-导向柔顺梁的PRR伪刚体模型的动力学分析

基于PRR伪刚体模型,建立了末端受复合载荷作用下固定-导向柔顺梁的PRR伪刚体动力学模型。以柔顺机构中柔顺杆为研究对象,通过分析其动能和势能,应用拉格朗日方程推导出了该模型的动力学方程,并从方程特征和响应曲线等方面分析了模型各项动力学特性。分析结果表明,PRR伪刚体动力学模型可以更加真实地反映出固定-导向柔顺梁在变形过程中的各项动力学特性,更加适用于柔顺机构的动力学分析与设计。     

柔顺机构PRR伪刚体模型的研究

在已有伪刚体模型的基础上,将柔顺机构里大变形柔顺杆的轴向变形和横向变形的影响都考虑进去,增加伪刚体模型的自由度,提出一种具有两个转动副和一个移动副的多自由度伪刚体模型。该模型将4个不同长度的刚性杆件用一个拉压弹簧和两个不同刚度系数的扭转弹簧依次连接,进而建立柔顺机构中大变形柔顺杆的PRR伪刚体模型。模型的参数运用二维搜索和线性回归法求得。通过数值分析计算,将该伪刚体模型与1R、和PR伪刚体模型以及柔顺杆的末端轨迹进行分析对比,验证了PRR伪刚体模型能够更加精确地反映柔顺杆末端轨迹的变形特征。     

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。     

固定-导向柔顺杆件6R伪刚体模型

为提高固定-导向型伪刚体模型的计算精度,基于伪刚体模型的原理提出了一种固定-导向6R伪刚体模型。建立了该模型的运动学方程,并根据逆运动学分析方法及优化算法求解了模型的4个最优特征半径系数和3个扭簧刚度系数。通过数值算例模拟固定-导向6R伪刚体模型的末端动作路径,并将其与固定-导向2R伪刚体模型及柔顺杆件的末端路径进行对比。结果表明,固定-导向6R伪刚体模型能够更加精确地模拟相应柔顺杆件的末端动作过程,且其相对误差几乎为0。最后,通过ANSYS有限元分析实例验证了该模型在实际计算中的精确性。     

柔顺杆件固定-导向1P2R伪刚体模型

针对固定-导向模式的伪刚体模型模拟柔顺杆件末端位置精度不高且无法表现轴向变形的问题,基于伪刚体模型的原理提出了一种高精度的固定-导向1P2R伪刚体模型。首先综合考虑柔顺杆件各个方向的变形,构建了包含两个转动副和一个移动副的固定-导向1P2R伪刚体模型;其次建立了该模型的运动学方程,并根据优化算法求解了伪刚体模型的最优特征半径系数,利用一元线性回归方法得到了该模型的弹簧和扭簧刚度系数;最后通过数值算例模拟固定-导向1P2R模型末端的动作路径,并将其与固定-导向伪刚体模型及柔顺杆件的末端路径进行对比。结果表明,固定-导向1P2R伪刚体模型完全能够模拟相应柔顺杆件的末端动作过程,且模拟精度高于固定-导向伪刚体模型。研究证明了该模型的优越性,对柔顺机构的变形分析亦有重要参考意义。     

模拟柔顺机构中柔顺杆件末端特征的2R伪刚体模型

柔顺机构是一种新型机构,其中包含的柔顺杆件会因为产生大变形而导致分析起来十分复杂。伪刚体模型能够简化柔顺杆件的大变形分析。基于伪刚体模型的原理,针对柔顺机构中的柔顺杆件,提出以末端转角参数化近似方法为基础的2R伪刚体模型。该模型用两个不同劲度系数的扭转弹簧连接3个不同长度的刚性杆件,并用特征半径系数表征刚性杆件的长度,用刚度系数表征扭簧的扭转能力,通过二维搜索得到模型的最优特征半径系数,应用线性回归方法得到模型的刚度系数。该模型能准确模拟柔顺机构中柔顺杆件的末端变形轨迹和变形角度。推导柔顺杆件和伪刚体模型变形时的应变能公式,通过数值对比,从能量角度评价伪刚体模型储存应变能的能力。     

末端加载力矩的初始弯曲柔性梁1R伪刚体模型

把初始弯曲柔性梁考虑成末端加载一定力矩Mi的直梁,根据Bernoulli-Euler方程等从理论上推导出初始弯曲柔性梁末端轨迹和转角。结合实例给出理论计算结果,并和ANSYS软件仿真的结果进行对比,来验证理论模型的正确性。其次,基于末端受力矩载荷直梁的1R伪刚体模型,首次推导了末端受力矩的初始弯曲柔性梁的1R伪刚体模型,并和理论结果进行对比,来验证该模型的可行性。最后,针对该模型的不足,建立了1R伪刚体模型修正模型,并与理论结果等进行对比,验证其可行性,为研究含有初始弯曲柔性梁的柔顺机构打下基础。     

末端加载力矩的初始弯曲柔性梁2R伪刚体模型

基于Bernoulli-Euler方程从理论上推导了末端受力矩载荷作用的初始弯曲柔性梁末端轨迹和转角。结合实例给出理论计算结果,并和ANSYS软件仿真的结果进行对比,来验证理论模型的正确性。基于直梁2R伪刚体模型首次建立了末端受力矩作用的初始弯曲柔性梁的2R伪刚体模型。理论结算结果与初始弯曲柔性梁的2R伪刚体模型、1R伪刚体模型的轨迹结果等进行对比,并给出它们的相对误差,来验证这两种伪刚体模型是否可以有效地模拟初始弯曲柔性梁的末端轨迹和转角以及优越性,这为初始弯曲柔性梁在柔顺机构等中的应用打下了坚实的基础。