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.     

五自由度次镜调整机构的研究

在同轴望远镜系统中,主镜和次镜的相对位置和姿态有非常严格的要求,需要将次镜设计成多自由度可以调整的机构.针对次镜调整机构的性能要求,提出一套由二维XY移动平台和三维Tip/Tilt/Focus平台组合成的五自由度次镜调整机构方案.其中三维Tip/Tilt/Focus平台由3个驱动器、定平台与动平台组成,驱动器与动平台之间由柔性铰链连接,通过3个驱动器的伸缩和柔性铰链的转动来实现动平台的三自由度运动.对三维Tip/Tilt/Focus平台的运动学原理作了详细介绍,深入地讨论柔性铰链弯曲刚度和轴向刚度与几何参数的关系.研究结果为五维调整机构及柔性铰链的设计提供客观依据,具有较大的实际意义.     

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.     

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．     

基于有限元法的柔性铰链力学模型和性能分析

为了精确描述柔性铰链力学性能,提出一种通用的基于有限元法的力学模型,并基于该模型分析其静态和动态性能．柔性铰链采用欧拉-伯努利梁模拟其力学行为,将其划分为3个三自由度的结点、2个变截面单元．采用最小势能原理建立与柔性铰链结构参数相关的封闭形式刚度矩阵,采用拉格郎日方程建立铰链的质量矩阵和动力学方程．为了验证所推导的力学模型的精确性,与 ANSYS分析结果进行比较分析,两者的结果差值在1.1％～5.6％范围之内,说明理论模型与ANSYS分析结果吻合,所建立的模型能精确反映其静态和动态性能．基于柔性铰链有限元模型,可精确分析铰链参数与其精度和固有频率的关系、应力分布和频率响应,为正圆型柔性铰链应用于柔顺机构设计提供了一种精确的力学模型．     

压电陶瓷驱动器菱形位移放大机构的动态应变测量

为监测压电陶瓷驱动器并联驱动时各自的动态输出状态,利用压电陶瓷驱动器中位移放大机构的菱形对称结构建立全桥应变测量方法,通过位移放大机构菱边在振动过程中的动态应变变化来反映压电陶瓷驱动器的工作状态。对不同状态下位移放大机构菱边的动态应变进行实验研究,结果表明:利用位移放大机构对称菱边建立的全桥应变测量方法能够有效获取位移放大机构在振动过程中的动态应变变化,且能够对位移放大机构的运行状态进行实时监测,在带负载和不带负载情况下,设计的位移放大机构菱边在振动过程中的应变量级都在几个微应变,该测量结果也反映出设计的位移放大机构刚度较好,能够保证压电陶瓷驱动器有较好的输出性能。     

超磁致伸缩驱动器设计准则的建立

在分析超磁致伸缩材料的工作特性、超磁致伸缩驱动器的基本结构与工作原理的基础上,给出了超磁致伸缩驱动器的设计准则．在所提出的设计准则指导下,开发了用于振动主动控制的超磁致伸缩驱动器,并对其主要特性参数进行了测量．实验结果表明,该驱动器的输出性能达到了设计要求。验证了该设计准则的有效性和实用性．     

三支点桥式起重机结构噪声预估及其影响因素研究

桥式起重机的动态特性直接影响其运行可靠性,而减速器齿轮系统各参数对其综合性能影响较大,因此有必要研究齿轮系统动力学特性随各参数变化的内在机理及变化规律,达到桥式起重机减振降噪的设计目的。利用ANSYS软件建立三支点桥式起重机整体有限元分析模型,在各级齿轮副接触线上施加内部动态激励,基于模态叠加法分析其振动特性,进而实现结构噪声的预估,并通过试验来验证仿真方法的可行性。在保证各级齿轮副中心距不变和总传动比相近的条件下,分析了不同模数、螺旋角、轴承支承刚度、结构阻尼比和负载下齿轮系统的振动特性和结构噪声,得到了系统振动加速度有效值、频谱图和结构噪声随各参数的变化规律。分析结果为桥式起重机相关参数的改进和减振降噪设计提供了理论依据和参考。     

结构参数对费马型线柔性弹簧性能的影响分析

基于一种费马曲线的柔性弹簧,设计出不同略角、厚度、弹簧臂数和槽首尾封闭方式的多种柔性弹簧.利用ANSYS软件对多种几何参数的费马型线柔性弹簧进行了有限元分析,通过分析不同参数的费马型线柔性弹簧的最大应力值和径、轴向刚度的变化特性,总结了略角、厚度等结构参数对费马曲线柔性弹簧性能的影响规律;通过改变槽首尾端封闭方式实现了...     

单级柔顺正交位移放大机构非线性建模与优化

同时实现操作的灵活性与稳定性是精密工程领域的研究热点。单级柔顺正交位移放大机构可通过正交位移转换实现平行夹持,并通过位移放大提高操作的灵活性,但该机构的传统建模方法主要基于小变形假定并忽略剪切作用,导致模型精度较低。为此,对典型的单力输入单级柔顺正交位移放大机构进行精确的非线性建模与优化。考虑到剪切作用与几何非线性因素,对单级柔顺正交位移放大机构输出位移进行两步法半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。第1步,基于能量法与欧拉-伯努利梁理论,建立该机构输出位移的线弹性解析模型,并结合小变形静力学有限元分析,拟合剪切非线性修正系数;第2步,结合几何非线性静力学有限元分析与数值拟合,建立该机构输出位移的几何非线性修正系数模型。为最大化输出位移并抑制几何非线性作用,提出机构平面尺寸和厚度综合优化策略,并利用ANSYS Workbench有限元仿真验证了机构输出位移非线性模型与优化结果的有效性。仿真结果显示,机构输出位移非线性模型的误差小于5%,且可依据不同优化策略显著增大输出位移或将几何非线性程度约束于指定范围内。研究表明利用所提出的方法对单级柔顺正交位移放大机构进行非线性建模与优化,可有效提高压电驱动柔顺微夹钳的位移输出性能与开环控制的精度和实时性,有利于实现稳定灵活的微操作。     

Analysis and optimization of a compliant mechanism-based digital force/weight sensor

Digital force/weight sensors have some advantages over their analog counterparts. This paper describes the optimization and implementation of a novel digital force/weight sensor that uses a thickness-shear quartz crystal resonator (QCR) and a unique compliant mechanism. The compliant mechanism consists of eight flexure hinges and is used to fix the sensitive QCR and transfer the measured force. Advantages of such a sensor include inherent digital output, high resolution, high reliability, and low cost. Due to the complex structure and the multivariables of the compliant mechanism, conventional trial methods are inefficient in determining the dimensions. To solve this problem, an optimization method has been developed by employing rigid-body model, finite element method, and nonlinear programming techniques. Experimental results show that it is more efficient than trial methods in optimizing complex compliant mechanism-based sensors. This method can be used as a generic method for optimizing force sensors using compliant mechanisms, to obtain the desired specifications.     

用于光学调整的二维纳米级微动台的设计分析

研究开发了一种用于光学调整的二维压电驱动的纳米级微动工作台,建立了工作台的力学模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿X、Y方向刚度及前二阶固有频率的解析式。通过微动工作台固有频率及沿X、Y方向刚度的实验测试,验证了解析方法和有限元方法用于微动工作台设计分析的可行性。有限元分析结果表明,可通过改变直角平板柔性铰链的特征参数,达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出一种初选微动工作台柔性铰链参数的简易方法。     

聚氨酯隔振器特性的有限元分析

利用不同的本构模型对聚氨酯材料的实际应力－应变曲线进行拟合,运用ABAQUS软件的超弹性材料评估功能,得出了适合聚氨酯材料的最佳本构模型。基于该本构模型,对一种新型聚氨酯隔振器的静、动态性能进行有限元分析,得到了隔振器的主要性能指标。通过隔振器的试验,验证了有限元分析的有效性,对聚氨酯材料在新型隔振元件设计中的应用具有一定的指导意义。     

某燃气轮机试验工艺基架结构静动力分析

本文采用有限元法及子结构技术,建立了某燃气轮机试验主设备工艺基架结构体系的力学模型,计算分析了各结构的静位移,静应力,固有特性,动态响应和动应力,并了各主设备之间振动的相互影响。     

采用等效有限元模型的复合材料机翼结构优化

在机翼设计过程中,将等效有限元模型(EFEM)方法应用于考虑静力学和动力学要求的机翼结构优化。提出了"三步走"的结构优化策略,将一个多变量的复杂优化问题转换为一系列少变量的简单优化问题,对某支线客机的复合材料机翼进行了优化设计。首先以位移、静强度和颤振速度作为约束条件对机翼复合材料铺层比例进行优化;然后以静强度和结构稳定性作为约束,以最小化结构质量和结构效率作为优化目标,对各翼肋之间的加强壁板进行优化设计;最后再以位移和颤振速度为约束,对机翼结构总体刚度进行优化设计。结果表明:EFEM方法具有快速建模和计算量少的优点,采用"三步走"优化策略具有更高的效率,适用于初步机翼结构优化设计。     

有频率禁区的结构优化设计

该文以一座矮塔斜拉桥——大连长山大桥为工程背景,对地震作用下结构的动力优化问题进行研究,通过优化改善桥梁结构的静动力特性,提高结构抗震性能,确保它们在动力环境下安全可靠的工作。在ANSYS中建立长山大桥空间有限元模型,然后采用响应面法以桥梁振型频率为优化目标,进行结构动力特性的优化设计;采用试验设计的优化方法以地震作用下结构的动力响应为优化目标,进行结构动力响应的优化设计;采用神经网络建立网络模型,快速有效的预测结构地震响应,为桥梁结构优化设计提供参考作用。研究表明：进行结构动力优化设计可以在保证桥梁结构整体性不变的前提下,充分发挥结构自身潜能,减小桥梁地震动力响应。     

激光转台芯部结构动态特性研究与优化

以有限元分析与模态分析理论为基础,结合有限元分析软件,建立激光转台芯部结构的有限元分析模型,并分析其动态特性,分析结果表明结构设计基本合理,但需进行优化处理.利用结构优化理论,建立芯部结构的优化数学模型,并对其进行优化.在保证结构的最小一阶固有频率和最大静态变形的基础上,使芯部结构的质量减轻了41.43%,结构的一阶固有频率变化了17.10%.最后,对优化后的模型进行静力学和动力学校核,结果比较理想.     

泡沫铝填充汽车车架的抗振性研究

为探讨满足汽车自身轻量化、环保、舒适和安全方向发展需要的新途径,以某汽车为例,初步设计了泡沫铝填充结构车架,并应用有限元分析软件ANSYS对其进行了静态与动态分析。结果表明,该新型结构车架在满足自身性能要求下,其动态特性明显提高,从而抗振性得到提高。