考虑杆件空间复合弹性变形的过约束并联机构受力分析方法

以3-PRRR三自由度移动并联机构为例提出一种考虑杆件空间复合弹性变形(包括弯曲、拉伸和扭转变形)的过约束并联机构受力分析方法。提出并定义分支约束力螺旋系刚度矩阵,建立分支约束力螺旋系幅值与分支末端弹性变形之间的映射关系;然后结合动平台受力平衡方程推导得到了分支约束力螺旋系幅值的一般解析表达式,分析施加给动平台的约束力螺旋与运动副实际约束反力之间的内在联系,从而求解得到了驱动力和所有被动运动副的约束反力。基于ADAMS仿真软件提出了一种建立过约束并联机构受力仿真模型的方法,所建刚柔混合模型与理论模型完全一致,且仿真结果与理论计算结果的最大误差不超过2%,有效地验证了提出的过约束并联机构受力分析的正确性。     

基于螺旋理论对单环空间RSUR机构受力分析

用传统方法对并联机构或复杂机构进行受力分析是十分不方便的,尤其是要计算所有运动副的约束反力时,常常需要联立大量的方程才能得到最终结果.基于螺旋理论对这类机构进行受力分析会使这个问题简化.运用此方法可以方便地求出在外力作用下机构的主动力和所有运动副的约束反力,并且对于主动力和各运动副的约束反力是以单独构件逐个求解为特点的,可以确保分析每个杆件联立求解的方程数目不多于6个.为详细说明基于螺旋理论对这类机构进行受力分析的方法的优点,以由两个转动副、一个球副和一个万向铰组成的一个单环空间机构为例运用此方法求解其主动力和所有运动副的约束反力,通过求解就可以看出运用此方法可以使机构的受力分析过程大大简化,并且思路清晰容易理解.     

三对传力杆空间相交轴RCCR机构的静力分析

三对传力杆空间相交轴RCCR机构是带虚约束的静不定机构,利用示力副法并联立变形协调方程和物理方程求解了该机构中间三个转动副的约束反力,这些计算结果为该机构的强度分析奠定了基础。     

过约束与局部自由度对机构关节约束反力可解性的影响

利用静力学平衡方程研究了一种含局部自由度的4-SPS/CU无过约束并联机构的受力分析。写出了该机构的静力学平衡方程并得出其方程组中方程个数大于未知量的个数,采用局部转换矩阵去掉了该机构中局部自由度对应的力矩平衡方程使原来的超定方程变为静定方程。说明了对机构中局部自由度的预处理提高了静力学平衡方程的求解效率。为了系统的研究过约束和局部自由度对机构静力学平衡方程的影响,分别讨论了2阶至5阶过约束机构静力学平衡方程的可解性与机构中过约束与局部自由度的关系,制定了机构中局部自由度和过约束的判定方法。证明了机构中过约束与局部自由度对机构静力学平衡方程的可解性影响具有一般性,为机构的关节约束反力求解提供了理论基础。     

新型球面并联人形机器人踝关节机构静力学性能分析

采用拆杆法建立机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立机构的变形协调补充方程,进而完成二自由度并联人形机器人踝关节机构的静力学分析。通过数值计算,得到在三种外载荷下构件上的各力与机构位姿的关系图。结果表明:外载荷为纯力时,支链1的受力很小,支链2的受力近似为零,而中心球面副支链的受力近似等于外载荷;外载荷为纯力矩时,三个支链的受力情况相似;外载荷为力和力矩时,支链1、支链2的受力情况与外载荷为纯力矩时的受力情况相似,中心球面副支链的受力为前两种情况的叠加。外载荷中的力成分主要由中心球面副支链承载,力矩成分由三个支链共同承载。该研究为该人形机器人踝关节机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学参考。     

基于MATLAB的曲柄滑块机构的动态静力分析

对于高速运动的曲柄滑块机构,由于构件的惯性力不能被忽略。因此根据达朗贝尔原理,将惯性力计入静力平衡方程,从而求出为平衡静载荷和动载荷需在原动构件上施加力或力矩,以及各运动副中的反作用力。根据力平衡及力矩平衡方程,求出平衡力矩。采用matlab编程,求出摆动力、摆动力矩及平衡力矩。     

基于力/矩平衡方程和变量几何法的3UPU-Ⅰ并联机构驱动力和约束力分析

提出利用力/力矩平衡方程CAD变量几何法求解并联机构各分支的驱动力和约束力。以3UPU-Ⅰ并联机构为例,首先利用求解驱动力和约束力的数学方程及计算机变量几何法,在3UPU-Ⅰ并联机构的模拟基础上构造该机构的三维F/T(力/力矩)模拟机构。然后从平衡方程中推演出一个力雅克比矩Gf,当改变驱动参数时,F/T模拟机构和Gf随之变化,驱动力和约束力自动求解和动态显示。     

新型圆柱面3自由度并联机构的动力学逆解

针对一种新型圆柱面 3自由度并联机构应用牛顿 欧拉法进行了动力学逆解分析。该机构具有 2个移动自由度和一个转动自由度 ,首先推导出该机构的运动学逆解 ,建立了支链和动平台的力和力矩平衡方程 ,根据不同类型支链的运动学约束条件消除了部分铰链约束力和力矩 ,从而推导出驱动力矩模型 ,最后给出了该机构动力学逆解的数值仿真实例。该模型可用于改进该机构的结构组件设计和控制算法。     

含有冗余支链的3-RPS/3n-SPS并联机构逆动力学建模

提出一类含有冗余支链的3-RPS/3n-SPS并联机构,为解决该类机构的逆动力学问题,首先对机构进行运动学分析,建立支链与动平台末端的速度、加速度映射关系,并对运动学模型进行仿真验证;之后对3-RPS/3n-SPS机构进行受力分析,列出的平衡方程数目少于未知量个数,基于机构分支作用力与动平台末端位姿误差间的协调关系构建动力学补充方程,求解出该类机构中所有运动副的约束反力和机构分支作用力;基于达朗贝尔原理对机构进行逆动力学建模,建立了机构末端力和各杆件惯性力与机构分支作用力间的关系表达式,求解了3-RPS/3-SPS机构分支作用力、运动副约束反力及动平台位姿误差,通过分析机构分支作用力、运动副约束反力、动平台位姿误差随时间的变化规律,验证本文建立的3-RPS/3n-SPS并联机构动力学模型的正确性。所得到的动力学结果为该类机构的进一步研究和工程应用奠定了理论基础,此外该逆动力学建模方法也可用于其他含有冗余支链的并联机构中。     

一种用于无人驾驶汽车运动模拟的3自由度并联机构动力学建模

针对无人驾驶汽车半物理仿真试验对运动模拟系统精度要求高的特点,给出一种以3-RPS并联机构为基础的改进型3自由度并联机构.与3-RPS并联机构相比,由于该改进型并联机构中的被动约束承受了3-RPS并联机构中驱动器所承受的沿其转轴方向的力,因而改善了驱动器的力学特性.根据该并联机构的结构,建立运动学方程.基于Newton-Euler方法建立动平台的动力学方程.根据力矩平衡原理分别计算出同时垂直于驱动器及其转轴的分力以及同时垂直于被动约束上部及其转轴的分力.依照功率守恒原理计算出沿被动约束上部的力.驱动器的驱动力以及被动约束沿转轴的力即可求出.此计算方法对少自由度并联机构的动力学求解有借鉴意义.     

重力对超静定结构受力的影响

目前有关超静定结构的受力分析中几乎均未考虑分支重力的影响,针对此,提出了一种考虑分支重力情况下超静定结构受力分析的方法。首先基于分支的力矩平衡方程直接求解出在分支重力作用下产生的施加给动平台的垂直分支轴线方向的约束力分量,并将其视作施加给结构的广义外力;然后基于结构变形协调关系和受力平衡方程,获得超静定结构各分支沿其轴线方向的约束力分量的完整解析表达式以及存在制造误差时装配内力的解析表达式;最后讨论了分支重力对超静定结构受力的影响机理。以平面超静定结构3-RR和空间超静定结构7-SS为例进行了实例分析,并建立对应的刚柔混合模型,进行了仿真验证。     

基于等效机构运动方程的肘杆压力机静不定分析

为提高机构的刚度,在机构内部常会附加一些过约束结构,这些过约束结构在提高机构的刚度的同时会带来其力学分析时的静不定问题。对一种新型结构的肘杆式压力机进行了动态静力学分析,针对分析中存在的静不定问题,将机构分解为静定与静不定两个子机构,并通过将静不定子机构转化为一种等效机构,利用其运动约束方程最终确定出系统的变形协调方程。较之一般求解静不定问题的方法,该方法获得的变形协调方程形式上更加简洁且为线性方程,更加易于求解。     

基于加权广义逆求解被动过约束刚-柔耦合并联机构的受力问题*

提出一种直接应用力映射矩阵的加权广义逆求解一般被动过约束并联机构(指分支提供给动平台的约束力/力偶数目大于等于1的被动过约束并联机构)的超静定受力问题的方法。基于小变形叠加原理和螺旋理论得到了分支约束力螺旋系刚度矩阵的一般表达式。推导一般被动过约束并联机构的各分支约束力螺旋系幅值与六维外力之间的映射关系式,进而证明了该关系式恰好是力映射矩阵的加权广义逆,其中加权矩阵为各分支约束力螺旋系刚度矩阵组成的分块对角阵的逆。以3-RRC空间三自由度被动过约束并联机构和一个并联振动平台为例,直接应用加权广义逆求解了机构各分支约束力螺旋系的幅值,并进行仿真验证。基于加权广义逆求解被动过约束并联机构的超静定受力问题大大简化了求解过程且解的形式统一、简单。     

制造误差对过约束机构性能影响的研究

针对平面闭链机构为超静定的过约束结构和制造误差的非平面性，将结构力学中处理超静定结构的力分析法与平面连杆机构的动力分析相结合，以构件的扭转变形和弯曲变形为变形协调条件，建立了考虑非运动平面过约束的平面加杆机构动力学分析模型，仿真结果揭示了制造误差对过约束机构性能的影响。     

Force and torque analysis of constrained space mechanisms and plane mechanisms with offset links by matrix displacement-direct element method

Many constrained spatial mechanisms and plane mechanisms with offsets between the planes of motion of the links become statically indeterminate mechanisms, and their force and torque analyses require elastic analyses. The matrix displacement-direct element method, a finite element method with line elements, of force and torque analysis of statically indeterminate, as well as statically determinate, spatial and planar mechanisms is presented. All the links in a mechanisms may be elastic and they may experience flexural, torsional and axial deformations. The cross-sectional properties of a link may vary. The 4R plane mechanisms with and without offsets and the RCSSRC spatial screw generator are analyzed as examples, and force and torque distributions and the deformed geometries of these mechanisms are determined.     

复杂载荷变刚度静不定梁通用力学模型及变形方程

对复杂载荷下变刚度静不定梁建立了一种通用力学模型，得出梁任一截面的变矩方程。通过对变矩方程的积分和积分后方程的递推，推导出梁任意截面的转角和挠度变形的一般方程，并给出工程计算实例。该方程易于采用计算机处理，为复杂载荷下变刚度静不定梁程序化求解提供基础。     

新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构静刚度性能分析

提出了一种新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构,对该8次超静定机构进行了静刚度分析。首先基于各构件的弹性变形,利用小变形叠加原理,推导出机构动平台角位移、球心点线位移与各作用力的解析关系式;然后利用该机构静力学分析的结果,即各构件上的力与机构外载荷的关系方程,建立机构外载荷与机构动平台角位移、球心点线位移的解析关系,进而得到机构的静刚度矩阵;最后采用正交变换方法,得到机构的6个主刚度及其所在方向。研究结果表明,与UP+R踝关节机构相比,新型踝关节机构的角位移刚度、线位移刚度均有增大,其中线位移刚度大幅增大,基本实现刚度均衡。     

全地面起重机超起装置对臂架受力影响研究

全地面起重机在安装超起装置后属于内力静不定问题,文中用经典力学中的能量法探讨该静不定问题,进而求解出超起装置各构件和臂架的受力。并编制相应计算程序,以QAY350全地面起重机为例,计算某一工况下臂架承受的最大应力,并与未安装超起装置时臂架的受力进行对比。最后研究超起装置各构件参数对臂架受力的影响。分析研究结果表明,全地面起重机在安装超起装置后臂架承受的弯矩和最大应力明显减小;超起撑杆与臂架垂直时,臂架承受的最大应力最小;以臂架变幅油缸上铰点处截面受力为考核点,可知超起撑杆安装位置越靠近变幅油缸铰点,臂架受的最大应力越小;超起撑杆的长度增加到某一值时,臂架承受的最大应力不再随超起撑杆的长度增加而变小,而是始终保持不变。     

输油臂回转接头的设计

根据输油臂的结构及操作条件，对回转接头进行受力分析和力学模型的进一步简化，将原来的静不定问题转化为静定问题，从而大大简化了回转接头的设计计算。对回转接头的寿命检验借鉴了关节轴承的计算方法，使计算结果更为合理。