空间3-UPU/UPU机构的刚度分析

以3-UPU/UPU并联机构为例,进行机构分析及运动学分析,得到机构的雅克比矩阵;在静平衡条件下计算出并联机构的局部刚度矩阵和全局刚度矩阵;利用数学软件MATLAB绘制3-UPU/UPU并联机构的局部刚度曲线以及全局刚度曲线,分析上下平面外接圆半径的变化对局部刚度和全局刚度的影响.结果表明局部刚度矩阵以及全局刚度取决于机构的位姿,对于给定的位姿可求机构局部刚度及全局刚度的变化范围;机构的上下表面半径的变化情况影响着局部刚度和全局刚度,因此可以适当地增大上下表面半径来获得较高的局部刚度以及全局刚度。     

基于ANSYS的新型3-TPS并联机床静刚度分析

目的对新型3-TPS并联机床进行刚度计算和分析，找出不同型位下该并联机床刚度的变化规律和特点，使机床避免薄弱环节，以提高在高刚度下工作机床的加工精度．方法对并联机床刚度进行理论建模，找到对该并联机床静刚度产生影响的因素，然后应用有限元分析软件ANSYS对不同型位下、不同方向上的刚度进行仿真和计算．结果在同一位姿下，沿着Z轴方向刚度较大；在不同位姿下，极限位置的刚度最小；变形最大处在动平台与平行机构相连的铰链连接处；平行机构的变形量比较大．结论沿主刚度方向的刚度比其他方向大，远离极限位置可以提高刚度，并联机构的薄弱环节在动平台与平行机构联接的铰链处，平行机构的刚度将对整机刚度有很大的影响．     

约束力/矩对一种少自由度并联机构刚度及弹性变形的影响

研究约束力/矩对一种3UPS+RRPR少自由度并联机构的总刚度与弹性变形的影响。以主动约束力/矩为基础求解3UPS+RRPR少自由度并联机器人机构的刚度与弹性变形。首先分析该并联机构受力位置并确定主动约束力/矩的姿态。然后,分析该并联机构的主动约束分支的弹性变形,并解出主动约束分支的伴随矩阵。基于6×6的雅可比矩阵和主动约束分支的伴随矩阵,导出该并联机构的总刚度矩阵和弹性变形。最后得出结论:约束力/矩对该并联机构的弹性变形产生巨大的影响,当建立总刚度矩阵和弹性变形时,必须考虑约束力/矩。     

绳牵引刚柔式波浪补偿并联机构的设计与建模

为了减少海上集装箱货物运输中风浪造成的损坏,提出刚柔混合驱动主动式波浪补偿并联机构. 基于刚柔混合并联机构的动定平台的矩阵旋转原理和几何封闭法建立位置逆解数学模型;利用空间几何原理构建机构位置正解数学模型;利用求导法则对位置逆解进行求导,建立速度雅可比矩阵与加速度的二阶影响矩阵;基于绳子是柔性变形体推导出系统刚度矩阵,探究影响系统刚度的因素和增加系统刚度的原则. 利用数值模拟仿真对运动学和系统刚度进行验证,结果表明位置正逆解的输入输出误差不超过实际误差的2.25%;发现理论仿真曲线和样机仿真曲线较吻合,误差不超过7.4%,验证了运动学模型的正确性;根据刚度矩阵发现刚度影响因素对系统刚度的影响规律. 通过对绳驱动刚柔混合驱动波浪补偿并联机构的实验验证,发现该机构的补偿效果均高于90%. 证明研究结果为刚柔混合主动式波浪补偿并联机构的运动和机构设计提供了理论支持.     

2-UPS/RPR并联机构运动学分析

为得到2-UPS/RPR并联机构运动学特性,首先,运用螺旋定理进行分析得出动平台反螺旋系与运动螺旋系,结合修正的Grübler-Kutzbach公式计算机构自由度.然后,通过位置反解得出末端执行器位姿与各驱动杆位姿函数关系,并结合牛顿迭代法得出位置正解.其次,运用雅可比矩阵映射出末端执行器速度参数.最后,运用Adams软件对2-UPS/RPR并联机构的虚拟样机进行运动学仿真分析,得到动平台位移、角速度、速度、加速度变化曲线云图,结果表明该机构两转一移的特性可适应不同工况下复杂表面的喷涂.     

3-PRS并联机构的有限元分析

针对3-PRS并联机构在工作中受力变形且传递关系复杂的问题,提出利用有限元分析方法来研究变形的分布特征。根据逆向运动学原理得到动平台处于不同位姿下的机构参数,利用三维建模软件建立3-PRS并联机构在不同位姿状态下的实体模型,运用有限元分析软件对模型进行静力学与模态分析。通过静力学分析,得到并联机构的等效变形与应力分布;通过模态分析,得到并联机构的固有频率与振型,分析了并联机构的固有频率与振型对机构在工作状态中的影响。研究结果为3-PRS并联机构的相关试验与动力学分析计算及结构的优化设计提供了参考依据。     

3UPS-RPR并联机构的静力学分析

由于3UPS-RPR并联机构中间是一条RPR摆动支链,存在较大的工作空间与机构体积比,为了提高其力学灵敏度,进而提高其工作精度,对其进行静力学研究.采用闭环矢量法建立了该机构的逆位置模型,得到了逆位置解析解;在此基础上,运用反螺旋方法求得了该机构的完整雅可比矩阵;由虚功原理得到机构的输入与输出之间完整的力映射模型,建立静力学评价指标;最后,对力传递性能进行仿真,综合评估,得到机构优选的静动平台半径比λ在3~5之间,末端位姿参数α范围-0.5~0.5 rad,为机构后续静刚度分析和尺度综合奠定了基础.     

2(3-RPS)并串运动平台的奇异性分析

并串联机构相对纯并联机构能够增大工作空间,同时能够增加动平台的灵活性。以2(3-RPS)并串运动平台为例,给出了并串运动平台的力雅克比矩阵的推导方法以及发生奇异的条件。首先,基于螺旋理论,分析了上下3-RPS并联机构支链的运动螺旋系和约束反螺旋;然后运用互易积理论,得到了2(3-RPS)并串运动平台的完整运动雅克比矩阵,在此基础上,建立了该机构的静力平衡方程和力雅克比矩阵,发现该矩阵是由2个3-RPS并联机构运动雅克比矩阵的转置而联立组成的6×12矩阵。最后,通过分析力雅克比矩阵是否降秩,具体分析了2(3-RPS)并串运动平台的约束奇异、运动奇异以及混合奇异位形。     

3-RPS对称并联式机械腿误差模型及分析

针对以2R1T对称并联机构中3-RPS并联机构为核心的机械腿,基于矩阵全微分理论,建立了机构位姿误差模型.通过数值仿真得知,相对机构误差对动平台X与y向的影响,其对Z向的影响更大,将产生较大误差,达到0.308 mm;对应的Rodrigues参数中Φ2误差相对于Φ1变化较大,达到7.1×10-5,参数Φ3保持为零.一些结构误差由于使末端位姿发生明显变化,在制造与装配工艺性方面应相应加强;在驱动杆件误差发生变化时,末端位置Z轴参数变化较大,在0.5mm范围内变化,末端姿态参数Φ2的误差分量约是相应Φ1变化值的2倍;各项误差导致的动平台位置误差呈非线性趋势变化,但变化较小,可近似为线性变化,可用软件方法进行补偿.     

空间转动型3-SPS/S并联机器人的构型设计分析

根据盾构管片安装机器人拼装隧道管片时位姿调整的需要,运用系统枚举法构造了空间纯转动型3-SPS/S并联机构作为管片安装机器人的位姿调整机构,在对该机构进行位置、速度求解的基础上建立了机构的雅可比矩阵,提出并采用可操作度指标对机构的运动特性进行了分析研究。结果表明,该三维转动型并联机构能够实现管片姿态调整的运动要求,具有良好的可操纵性。     

5-PSS/UPU并联机构的多目标性能参数优化

在并联机构多目标参数优化方面,针对5-PSS/UPU并联机构,提出基于空间模型技术与主成分分析法相结合的多目标性能参数优化方法. 推导出机构的位置反解、运动传递平衡方程,对单个驱动分支进行螺旋分析,给出多个全域性能指标;应用空间模型技术,研究各全域性能评价指标与机构结构参数之间的分布规律,绘制了各项全域性能图谱;应用主成分分析（PCA）法,研究各全域性能指标之间的相关性,得到综合性能评价指标函数并绘制综合性能图谱;基于综合性能图谱,选取多组结构参数并计算综合性能指标在机构工作空间下的分布规律.研究结果表明,空间模型技术结合PCA法能够综合考虑机构的各项性能,对结构参数进行优化设计,该优化方法同样适用于其他并联机构.     

两种并联机构的静刚度及有限元分析

以经典的3-RPS和其变异机构3-SPR并联机构为例,建立考虑约束反力两种机构的6×6形式的雅可比矩阵,并建立刚度模型.利用实体建模软件SolidWorks建立两种并联机构的实体模型,并利用商用有限元软件Workbench对其进行有限元分析,对比了两种并联机构的变形情况.结果表明3-SPR并联机构的刚度性能优于3-RPS并联机构的刚度性能,两种并联机构的Z方向刚度均比X、Y两个方向的刚度大.     

含球面副间隙的空间并联机构动态特性

为了分析含球面副间隙的5-PSS/UPU并联机构的动态特性,建立含多个球面副间隙的空间并联机构的刚体动力学模型. 基于“接触-分离”二状态模型建立含球面副间隙的运动学模型;基于改进的接触模型和修正的Coulomb摩擦模型建立运动副元素之间的法向与切向接触力模型,进一步将接触力转化到运动副元素对应的部件质心;采用牛顿-欧拉法并结合拉格朗日乘子建立含间隙空间并联机构的动力学模型,利用数值仿真分析其动态特性,计算得到间隙分别为0.05、0.10、0.20、0.40 mm时的动平台角加速度均方根误差（RMSE）指标,分别为40.046、65.385、98.489、145.715 rad/s². 结果表明,在存在多个球面副间隙的情况下,当间隙增加时,空间并联机构的动态性能严重退化.     

基于线性回归与检验的不规则构件精确刚度矩阵建模

传统刚度分析方法只能得到规则结构的刚度解析表达式,而针对不规则构件,通常采用将复杂构件简化为规则件的办法求解,由于过度简化得到的刚度矩阵精确度下降。为了便于进行面向刚度的机械系统参数优化设计,必须解决不规则构件的规范化刚度矩阵求解问题。以3-URS（U-虎克铰、R-转动副、S-球铰）并联机构中U型轴复杂构件为例,提出一种基于多元线性回归原理求解复杂构件刚度矩阵的方法。将刚度矩阵的每个元素看作回归系数,采用ANSYS分析得到力和位移值的多组数对,基于多元线性回归理论求解回归系数,并将其组成6×6的刚度矩阵。由于该刚度矩阵主要应用于后续的刚度矩阵叠加,为降低计算难度,提高计算效率,在保证一定精度的前提下,对回归方程中的每一个回归系数作t检验,剔除不显著变量,对方程形式进行简化。对简化后的方程进行F检验和拟合优度检验,验证方程的回归效果。应用该方法求解了U型轴复杂构件的刚度矩阵,通过实验给出了24组样本数据,依据多元线性回归分析得到6×6刚度矩阵,进行t检验后部分矩阵元素变为零,在对其进行F检验和拟合优度检验后得到机构的刚度矩阵。在相同外力作用下,对构件变形量应用该理论计算得到的刚度矩阵的理论计算值和ANSYS分析值进行了对比,结果表明最大误差仅为0.11%,验证了方法的准确性。     

Deformation analysis of transversely isotropic coal-rock mass with porous and cracks

Coal-rock as a typical sedimentary rock has obvious stratification, namely it has transversely isotropic feature. Meanwhile, deformation leads to coal-rock mass having the characteristics of different porous and crack structures as well as local anisotropy. Equivalent axial and circumferential strain’ formulas of the pure coal-rock mass specimen with a single crack were derived through the establishment of equivalent mechanical model of standard cylindrical coal-rock specimen, and have been widely used to a variety of media combined different structures containing multiple cracks. The complete stress strain curve of a real coal-rock specimen was obtained by the CTC test. Additionally, according to the comparison with the theoretical value, the theoretical mechanical model could well explain the deformation characteristics of coal-rock mass and verify its validity. Further, following features were analyzed: strain normalized coefficient and elastic modulus (Poisson’s ratio) in vertical and parallel direction to the stratification, stratification angle, porosity, pore radius, normal and tangential stiffness of crack, and the relationship of different crack width with different tangential stiffness of crack. Through the analysis above, it substantiate this claim that the theoretical model with better reliability reflects the transversely isotropic nature of the coal-rock and the local anisotropy caused by the porous and cracks.     

机群环境下有限元的并行直接解法

在机群系统下进行有限元并行算法的研究是工程领域的前沿课题之一。本文详细分析了有限元的并行直接解法,解决了如何在机群环境下并行讣算单元刚度矩阵和总刚度矩阵,并且按行或按列穿插存放在各个处理机局部存贮器中,并给出了相应算法。     

沥青路面超孔隙水压力计算的刚度矩阵法

目的 分析浸水沥青路面的应力状态。解决高速公路沥青路面的水侵害问题．方法 将浸水沥青路面视为多层饱和弹性半空间轴对称体，利用Hankel和Laplace积分变换等数学方法以及Boit固结方程，推导出任意一层浸水沥青路面超孔隙水压力的刚度矩阵，再按传统的有限元方法组成总体刚度矩阵．通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程和Hankel和Laplace积分逆变换．结果 得到了外荷载作用下沥青路面超孔隙水压力问题的精确解．结论 在路面的面层中以及面层与基层的接触面附近，超孔隙水压力出现最大值．     

3-TPT并联机构运动性能研究

以3-TPT并联机构作为研究对象,建立该机构的运动学正、反解方程,求出该机构的雅可比矩阵及其逆矩阵,并在此基础上运用MATLAB软件和LabVIEW软件对该机床的奇异性、灵,5性和平稳性性进行仿真分析。仿真结果表明：3-TPT并联机构不存在奇异位形,并且拥有较好的灵巧性和平稳性,这为并联机构的最优化设计及控制系统设计提供了理论基础,并为确定工作形位和机构尺寸提供了设计依据。