一类桥式直接耦合柔性机构的刚度与应力分析

分析了一类桥式直接耦合柔性机构的精确的刚度和应力模型.分别采用伪刚体模型和卡氏第二定理推导了该柔性机构理论刚度模型,利用两个理论模型与有限元模型的结果进行对比,并采用正交实验法全面分析了柔性铰链的寄生刚度和旋转刚度的精度对其刚度性能的影响.研究结果表明：该柔性机构的寄生刚度影响较小,误差贡献率小于3%;旋转刚度的精度影响较大,通过选择精确的旋转刚度公式可以得到精确的理论刚度模型,同有限元结果相比其误差在t/r〈0.65范围内小于8%;与设计实验及其对应的有限元结果的误差分别为4%和3.96%,验证了刚度模型的正确性.基于刚度模型推导了该柔性机构的应力模型,运用正交实验法与有限元结果进行对比,误差小于4%,验证了应力模型的正确性.     

直角柔性铰链的力学特性

为了深入分析精密传动用柔性铰链的机械性能,在研究常用结构形式柔性铰链力学特性的基础上,对变形敏感的直角柔性铰链的力学特性进行了分析．建立了直角柔性铰链空间力学模型,推导了空间刚度矩阵表达式．在此基础上。从柔性铰链基本结构尺寸等方面研究了影响柔性铰链刚度性能的因素,研究发现影响柔性铰链变形性能的刚度系数与柔性铰链几何尺寸参数和构成柔性铰链材料的弹性模量密切相关．研究表明,当柔性铰链的有效长度增加或材料的弹性模量降低时,其各方面的刚度系数均有不同程度的降低．研究工作对深入分析柔性铰链力学特性、优化设计压电驱动器结构,提高其综合性能具有一定的意义．     

抗压内LET柔性铰链的建模及分析

针对内LET(Lamina emergent torsion)柔性铰链存在轴向刚度低这一问题,基于倒置原则提出了一种抗压内LET柔性铰链.首先,综合考虑各柔顺片段的变形特点,设计了抗压内LET柔性铰链的结构;其次,利用等效弹簧刚度模型推导了该铰链的弯曲等效刚度及抗压等效刚度,并用有限元分析实例验证了2种理论计算模型的正确性;最后,将内LET柔性铰链和抗压内LET柔性铰链弯曲变形及压缩变形的有限元仿真结果进行比较.结果表明,在外形尺寸一致的情况下抗压内LET柔性铰链的弯曲刚度是内LET柔性铰链的1.195倍,而抗压刚度却是其24.532~28.141倍.在弯曲刚度无明显变化的前提下,抗压内LET柔性铰链的抗压刚度大幅提升,该铰链的结构设计完全符合预期要求.     

柔性铰链可倾瓦轴承动静态特性研究

针对一种新型的椭圆型柔性铰链可倾瓦轴承,在柔性铰链刚度建模的基础上,通过建立轴瓦油膜厚度模型及轴颈和轴瓦的平衡模型,采用有限差分法及牛顿迭代法,研究了柔性铰链可倾瓦轴承中柔性铰链的旋转刚度对轴承的动静态性能的影响规律。研究结果表明:柔性铰链旋转刚度越小,轴承越接近普通可倾瓦轴承,稳定性越好;并得出了适于柔性铰链可倾瓦轴承应用的柔性铰链旋转刚度参考范围,为这类轴承的应用设计提供了参考。     

基于刚度误差的直角柔性铰链设计可行域分析

应用伪刚体方法设计直角柔性铰链双柔性平行四杆结构时,为满足臂杆为刚性杆的假设,要求臂杆厚度远远大于柔性铰链厚度.设计常根据经验,缺乏相关的理论依据.本文通过对直角柔性铰链平行四杆结构进行刚度误差分析,得到臂杆等效为刚性杆的设计可行域.首先利用积分法求得考虑臂杆变形的精确刚度;然后利用有限元分析方法验证此刚度为精确理论计算刚度;最后,分析虚功原理法求得的理想刚度和积分法精确刚度之间的相对误差,研究其随结构参数的变化规律,并得到臂杆等效为刚性杆的值域,即应用伪刚体模型设计直角柔性铰链双柔性平行四杆的设计可行域.     

两种典型柔性铰链导向机构的稳定性分析

为了分析两种柔性铰链导向机构的稳定性以及柔性铰链参数对导向机构稳定性的影响,本文结合卡氏位移定理和能量法,分别推导了柔性铰链导向机构在运动方向、垂直于运动方向和绕z轴转动方向的刚度计算公式,并应用推导公式对两种导向机构3个方向上刚度进行实例对比,分别计算其3个方向上的谐振频率,并根据谐振频率分析稳定性.最后改变柔性铰链的参数,用MATLAB分析其对导向机构稳定性的影响.结果表明,刚度推导公式的有限元验证和理论计算结果误差在1.10%~13.79%,证明了推导公式的正确性;同时,谐振频率的理论计算数据对比表明双平行四杆导向机构具有更好的稳定性,MATLAB分析得出铰链的切口半径r对微动平台的稳定性和承载能力影响程度最大.谐振频率的对比分析和柔性铰链参数对稳定性的影响分析为微动平台设计时导向机构的选取提供了参考.     

大行程串联柔性机构分析与设计

为提高柔性支承精密定位系统的行程,以传统直圆型柔性铰链为基本单元,提出一种新型大行程串联柔性机构.刚度与最大应力是影响大行程柔性机构性能的两个重要参数.采用伪刚体模型法,结合材料力学相关理论,建立了该柔性机构刚度和最大应力的理论模型.理论计算结果与非线性有限元分析结果相符,证明理论模型的正确性.在此基础之上,分析了大行程串联柔性机构的设计方法,验证了设计实例在大行程内的可靠性.脉冲响应测试实验结果表明由大行程串联柔性机构支承的精密定位系统定位误差不大于60nm.     

六自由度微动工作台柔性铰链设计

主要介绍了用于六自由度微动工作台的柔性铰链即双向柔性铰链和万向柔性铰链的设计过程，根据微动台中柔性铰链的设计要求，分析了微动台运动时驱动力与铰链变形的关系，确定了满足驱动力条件的柔性铰链刚度范围，并结合柔性铰链强度条件、工作台动态特性以及柔性铰链转角刚度与结构尺寸的关系，进一步确定柔性铰链的刚度和结构尺寸，合理设计柔性铰链．另外，通过有限元分析软件分析了柔性铰链最大受力时的应力分布情况．对柔性铰链的强度进行了校核，进一步保证了柔性铰链设计的正确性．     

基于动态等效刚度的平面柔性铰链建模与分析

提出一种能够实现虎克铰功能的平面柔性铰链。在分析平面柔性铰链自由度的基础上扩展铰链的运动形式,对铰链的两种位姿建立一种动态等效刚度计算的理论模型,借助Gauss拟合探究大变形位姿下刚度的非线性变化规律,并在有限元平台上验证了模型的正确性。根据理论模型对铰链整体的刚度变化特点进行了分析,探讨了铰链的性能特性。最后将该平面柔性铰链引入6DOF并联隔振平台,采用ADAMS、ANSYS联合仿真对所建新平台进行刚柔耦合动力学分析。结果表明,该平面柔性铰链在满足虎克铰运动要求的同时还能够有效避免虎克铰间隙引起的振动传递率突变问题。     

柔性铰链的设计计算

推导出了一般柔性铰链的系列设计计算公式和直圆柔性铰链的系列设计计算公式。计算公式是精确的推导结果,且在表达上较为简洁,有利于柔性铰链刚度(柔度)的计算和分析。与迄今沿用的J. M. Paros的柔性铰链设计计算公式进行了计算比较,说明了设计计算公式的简洁性、准确性和全面性。尤其是对常用的直圆柔性铰链的系列设计计算公式,更突出其既精确又简单的特点。同时指出了柔性铰链设计计算中应当注意的问题。     

机械结构结合面阻尼参数识别的研究

本文提出基于正交性条件识别机械结构结合面接触阻尼参数的方法。该方法避免了机械结构系统动力学模型中刚度矩阵存在的误差对接触阻尼参数识别的不利影响，提高厂接触阻尼参数的识别精度。另外，本方法结合了实验模态分析技术和有限元法，使其具有工程实用价值，而已识别过程简便。算例证实了本方法的有效性。     

基于机电-刚柔耦合特性的进给系统动态误差影响因素分析

进给系统动态误差是决定数控机床加工精度的关键因素,明确机械系统和控制系统参数以及两者之间耦合作用对进给系统动态误差的影响是当前面临的重要课题。以某五轴联动加工中心的进给系统为研究对象,充分考虑进给系统传动件结合面间刚度和滚珠丝杠柔性特征,搭建了进给传动系统动力学模型,并利用有限元软件进行了验证。利用典型三环PID（proportion integration differentiation,比例积分微分）控制结构搭建了机电-刚柔耦合进给系统动力学模型,通过仿真分析研究了机械系统参数和控制系统参数对进给系统动态误差的影响规律。结果表明,机械系统参数中,滚珠丝杠导程和螺母副轴向刚度对进给系统动态误差的影响显著,支撑轴承轴向刚度的影响不明显;控制系统参数中,位置环比例增益对进给系统动态误差的影响显著,速度环比例增益的影响不明显。研究结果为实现进给系统动态误差的可预知和可控性奠定了理论基础。     

压电陶瓷驱动的精密微操作平台特性与优化

设计一种结构紧凑、具有大运动空间和响应快的微操作平台,并对其静态和动态特性进行分析和优化.利用杠杆机构和连杆机构设计一种能实现两级放大的微操作平台,结构对称地设计在同一平面,并采用导向机构实现精确的导向运动.利用功能原理,采用伪刚体方法建立反映平台的静态和动态特性封闭形式的理论模型.由理论模型与有限元分析的结果比较分析可知,两者所得的结果误差范围为6.0%~7.2%,说明所推导模型的正确性.基于理论模型分析构型参数和柔性铰链尺寸参数对放大倍数、输出刚度、应力和固有频率的影响.结果表明,结构参数变化对输出刚度与固有频率的影响是矛盾的,对放大倍数和应力的影响也相互矛盾,需要通过优化结构参数以综合平衡其性能指标.提出一种以综合平衡平台的静态和动态特性为目标,并考虑应力、放大倍数和几何尺寸为约束的优化模型.结果表明优化后的固有频率和放大倍数比优化前均提高,而输出刚度降低,说明优化后的平台性能更好.     

Experimental characterization of hybrid composite-to-metal bolted joints under flexural loading

Presented is an investigation of the structural performance of hybrid composite-to-metal bolted joints loaded in flexure. The main goal was to develop a watertight, hybrid connection to resist bending loads. The effect of bolt type, doubler plate geometry and foam inserts was studied. Fourteen different joint configurations were tested including standard bolted joints and bolted joints with doubler plates. The performance of connections loaded cyclically in flexure was assessed by comparing: (1) the initial damage and failure loads; (2) the types of failure modes; and (3) the joint initial rotational stiffness. Instability in the hysteresis loops, where the load drops in subsequent cycles, is used as an indication of damage. A joint using a short doubler plate, a foam insert, and a single row of bolts, was found to be at least 33% stronger and 29% stiffer when compared to a standard bolted joint with two rows of the same diameter bolts. Use of doubler plates and foam inserts in a bolted joint resulted in higher strength and stiffness and can effectively mitigate joint opening, which improves the ability to seal the joint and maintain watertight integrity.     

尺蠖驱动器箝位机构的优化设计

箝位机构的性能直接影响尺蠖驱动器的性能,为满足尺蠖驱动器箝位机构输出力大、响应速度快和结构紧凑的工作要求,设计了单切口柔性铰链桥式箝位机构.该柔性机构的设计必须综合考虑机构的静动态特性,为此,建立了该机构的理论模型,通过刚度和固有频率的试验测试以及有限元分析,发现结构紧凑的小尺寸桥式柔性机构的理论模型误差较大,很难建立简单精确的理论模型.因此,利用有限元法研究了该柔性机构各几何参数对其静动态特性的影响,并通过改变该柔性机构的几何参数,实现对该柔性机构的静动态特性进行优化,以达到设计要求.结果表明它是一种简单有效的桥式耦合柔性机构的优化设计方法.     

复合层压板单螺栓连接的刚度建模

针对复合层压板单螺栓单搭接结构,提出一种更合理的四阶段刚度模型。该模型是在传统三阶段刚度分析模型的基础上,采用部分滑移理论对模型粘滞阶段的刚度进行了改进;同时考虑到层压板之间、垫片与层压板之间的异步滑动,增加了部分滑移阶段,给出新的刚度模型的理论分析过程和使用条件。为了验证改进模型的准确性,在ABAQUS中建立了对应的三维有限元模型,同时对比了层压板单独建模和均质建模的优缺点,表明单独建模更符合实际,更精确;最后通过分析螺栓孔间隙、扭矩、铺层厚度、宽径比、液态垫片及铺层角度对复合材料螺栓连接各阶段刚度的影响。结果表明:螺栓孔间隙会导致螺杆发生二次弯曲,从而降低其接头刚度;相对于宽径比的影响,铺层厚度对螺栓接头刚度的影响更显著;不同铺层角度对螺栓接头刚度的影响机制也不同。      

考虑齿距累积误差的人字齿轮系统动态特性分析

基于Timoshenko梁理论和有限单元法,引入时变啮合刚度和综合啮合误差,建立了人字齿轮系统动力学模型,研究了齿距累积误差对人字齿轮系统动态特性的影响。研究表明:齿距累积误差使动态传递误差出现显著的轴频成分和调制边频带。当负载扭矩较小时,边频成分大于啮合频率及其倍频成分,随着负载扭矩的增加,啮合频率及其倍频成分逐渐增强。当齿距累积误差相位不同时,人字齿轮系统将出现明显的轴向窜动现象。同时,齿距累积误差相位差对系统振动影响显著,通过调整相位差可以显著降低系统振动。研究结果可为人字齿轮系统低噪声设计加工与装配提供理论依据。     

梁结构刚度动态非概率可靠性分析

 为了定量分析在疲劳载荷作用下梁在不同寿命期内刚度的可靠性,建立梁结构物理性能退化的精确公式就十分重要.依据疲劳载荷造成的累积损伤对材料极限应力的影响,基于材料剩余强度模型,利用材料强度与弹性模量之间的关系,推导出结构弹性模量的退化表达式,并在此基础上,提出梁弹性模量退化系数的递推表达式,推导出圆截面梁剩余抗弯刚度的表达式.在对结构可靠性分析时,概率可靠性模型和模糊可靠性模型对于原始数据信息要求较高.为了充分利用结构的不确定性信息弥补原始数据的不足,将梁的初始弹性模量及所受的疲劳载荷等看作区间变量,利用区间模型建立基于刚度退化的梁刚度动态非概率可靠性模型.最后,结合工程实例的计算表明了该方法对梁的刚度退化分析及其刚度动态可靠性分析是可行、有效和合理的.