一种柔顺五杆机构的动力学建模与仿真

以一种柔顺五杆机构为模型,该机构包含柔性铰链与柔性杆。通过伪刚体模型法建立了伪刚体模型,并进行了动力学分析。随后,进行了该机构的频率特性分析以及受力分析,为下一步该机构的设计奠定了的理论基础。     

基于AutoCAD的柔性机构伪刚体模型建立与性能分析

提出了一种在AutoCAD中建立柔性机构伪刚体模型并对其进行性能分析的方法:将柔性机构分类并单元化;利用AutoCAD提供的API,借助参数化建模技术,创建柔性机构构件库;定义构件单元属性,生成机构单元刚度矩阵,获得单元伪刚体模型;经过坐标变换等,得到机构总刚度矩阵,完成伪刚体模型的建立;通过自定义载荷,对伪刚体模型进行性能分析。基于所开发程序,以一种3-RRR平面微定位平台为研究对象,进行了伪刚体模型的建立和性能分析,并将分析结果与ANSYS仿真结果进行了对比,验证了模型的正确性及应用程序的有效性。     

二自由度柔性铰链六杆机构的设计与分析

柔性机构应用越来越广泛,且在很多机械系统中能有效替代某些刚性机构,从而使整个机械系统达到刚柔并济的目的.在研究混合驱动机构和柔性四杆、五杆机构的基础上,对混合驱动六杆机构进行变型设计.首先利用虚功原理建立二自由度柔性铰链六杆机构的伪刚体模型,得出该机构的伪刚体模型的普遍公式.同时,建立了该机构的拟柔性模型,并得出了拟柔性模型的普遍公式.然后对二自由度柔性铰链六杆机构进行了仿真,得出相关数据,建立了相关转角之间的函数关系.并在普遍公式的基础上解出在施加不同载荷下的二自由度柔性铰链六杆机构驱动杆转角的理论值.最后对仿真值与理论值进行了对比分析,证明了理论推导过程的正确性.     

基于虚功原理的3-RRPR柔性精密定位工作台动力学分析

为了实现柔性精密操作系统的高频控制,提出一种新型空间柔性并联精密定位工作台系统,该工作台采用多个压电陶瓷驱动方式,通过半圆形凹槽单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3平动自由度的主动调整.根据机构伪刚体模型,采用矢量闭环方法建立其位置、速度以及加速度方程,并结合柔性铰链弹性应变能,采用虚功原理方法进行动力学分析,推...     

平面双稳态柔性微机构的优化设计

讨论了一种平面双稳态柔性微机构的设计问题。首先给出了机构稳定平衡位置的物理含义 ,建立了两种类型平面双稳态柔性微机构的伪刚体模型。提出了一种允许设计者随意指定稳定平衡位置点的具有较大自由度的优化设计方法 ,建立了优化数学模型及相应的约束准则 ,采用一种改进的遗传进化算法获得了全局最优解。根据所得的最优解对双稳态柔性微机构进行了分析 ,结果表明该设计方法是有效的     

柔顺机构中大变形柔性梁的2自由度伪刚体模型

针对柔顺机构中的大变形柔性梁,提出了一种新的伪刚体模型,即"两自由度伪刚体模型"。通过对模型末端倾角的进行参数化近似得出了模型最优特征半径系数,然后应用线性回归方法得到了模型的刚度系数。该模型能精确模拟柔顺机构中大变形柔性梁的变形轨迹和变形角度。最后通过末端轨迹的对比说明了该模型的优越性。     

基于动力学的双稳态机构驱动特性分析

柔性双稳态机构是一种在无外部输入的情况下,可以保持两个稳定平衡位置的机构,在MEMS和机械传动领域中有广泛的应用。对柔性机构稳态的判别一般使用能量法,但能量法无法对柔性机构的驱动特性进行分析。为此提出一种基于动力学的柔性四杆机构稳态分析方法,对只含一个柔性关节的四杆机构的驱动特性进行分析,并根据驱动特性曲线对柔性机构的稳态特性进行判断。首先,建立柔性四杆机构的伪刚体模型,利用拉格朗日方程建立动力学模型,解算出主动杆件旋转360°时驱动力的变化曲线;然后,在ADAMS中建立对应的柔性四杆机构模型,将仿真结果与动力学解算结果进行对比,验证动力学模型的准确性;最后,通过一个算例将提出的动力学分析方法与传统能量法的分析结果进行对比,证明动力学分析方法的有效性,同时还可以得到机构在稳态位置与非稳态位置转换过程中驱动力的临界值,为柔性稳态机构的设计提供一种新的方法。提出的基于动力学的双稳态驱动特性,在双稳态开关、双稳态传感器中都可以被设计和应用。     

2自由度柔性构件运动特性研究

提出一种在工程应用中既产生弯曲变形又产生拉伸变形的2自由度柔性构件的伪刚体模型分析方法,讨论单一弯曲自由度柔性构件和2自由度柔性构件不同的变形特点,2自由度柔性构件的变形运动是弯曲运动和轴向直线拉伸运动的复合运动,柔性构件与刚性构件连接处的角变形不为零,而是θ角度,在分析2自由度柔性构件运动特点的基础上,建立具有扭转弹簧常数K1和轴向拉伸弹簧常数K2来模拟其变形能力的伪刚体模型,进行了2自由度柔性构件最大应力分析,并给出一个工程应用示例。     

基于伪刚体动力学模型的柔顺机构驱动特性研究

基于柔顺机构的等效伪刚体动力学模型,对柔顺曲柄滑块机构的驱动问题进行了研究.当给定从动件的运动规律时或者当从动件产生预期变形时候,分析了求解原动件驱动问题的一般方法,并与有限元分析方法进行了比较,结果表明该方法有效.     

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。     

柔顺机构的传力效益分析

基于柔顺机构的伪刚体动力学等效模型,结合刚体机构的做功与能量转换原理以及瞬心法,对柔顺机构的传力效益进行了分析,推导出了柔顺机构的力传递效益与机构位置关系的表达式.算例结果显示,采用伪刚体法分析的柔顺机构传力效益与实际效果吻合较好.     

连续体结构的柔顺机构拓扑优化设计

通过对连续体结构柔顺机构的拓扑分析,提出了连续体柔顺机构拓扑优化方法,即同时考虑最大化的互应变能和应变能,即系统的刚度和柔度;建立其数学模型并用此分析其约束的敏度。     

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。     

基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计

采用拓扑优化方法获得柔顺机构构型容易出现类铰链结构,导致应力集中、疲劳可靠性差。为了抑制类铰链结构,提出了一种基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料惩罚模型（Solid isotropic material with penalization,SIMP）,以柔顺机构的互应变能最大化作为目标函数,采用P范数方法对所有单元的局部应力凝聚化成一个全局化应力约束,利用自适应约束缩放法使得P范数应力更加接近最大应力,以机构的最大应力和体积作为约束,建立柔顺机构最大应力约束拓扑优化模型,采用全局收敛移动渐近线算法求解柔顺机构最大应力约束拓扑优化问题。结果表明,采用P范数方法进行柔顺机构最大应力约束拓扑优化设计,能够有效抑制类铰链结构。随着应力约束极限值减少,获得机构构型由集中式柔顺机构逐渐转变为分布式柔顺机构,应力分布更加均匀,但机构的互应变能逐渐减小。     

压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构设计

压电陶瓷驱动的快刀伺服技术是加工光学自由曲面等复杂曲面的有效方法。为了突破压电陶瓷驱动快刀伺服机构的行程局限,本文采用二级杠杆放大机构,设计了一种压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构,实现了快刀伺服机构的长行程输出性能并消除了机构的寄生位移。基于伪刚体模型和拉格朗日原理对机构进行了动力学建模,综合行程和固有频率性能优化了机构参数并进行了有限元仿真和实验验证。机构等效刚度和固有频率的理论模型和有限元仿真结果误差分别为6.4%和1.6%,验证了理论模型的有效性。实验结果进一步表明,所设计的快刀伺服机构可实现100μm的输出行程同时具有730 Hz的固有频率,验证了所设计机构用于快刀伺服加工的有效性。系统的闭环跟踪实验也验证了系统良好的跟踪性能。     

传递矩阵法分析平面柔顺机构的振动特性

为了分析柔顺机构的动态性能和力学传递关系,提出一种新型的基于传递矩阵法的振动力学模型。柔顺机构由若干个柔性铰链与杆件顺序联接而成,采用传递矩阵法描述其力学状态量的传递关系。将柔性铰链视为拉伸和弯曲变形的弹性梁,应用材料力学理论建立反映其自振性能的传递矩阵。将杆件视为刚体,采用动量矩定理建立其动力学模型,得到描述振动刚体的传递矩阵。按照柔顺机构的联接形式,将每个元件的传递矩阵进行拼装,得到系统总传递矩阵。总传递方程以柔顺机构的边界点状态矢量为未知变量,矩阵中的元素为机构结构参数和频率的函数。应用边界条件,可得柔顺机构的特征方程,通过求解方程可得系统的固有频率和振型。将外力纳入传递矩阵,建立反映外力激励与系统的关系的扩展传递矩阵以求解系统的频率响应。通过2种常用平面柔顺机构的动态性能分析,结果表明所建立模型的正确性,能精确描述柔顺机构力学传递关系。     

Analysis of frequency characteristics of compliant mechanisms

Much work is needed for a further study on the dynamic analysis of compliant mechanisms to improve their performance and operational accuracy. This paper uses the finite element method to develop a dynamic equation of the compliant mechanism. Natural frequencies and modes are derived. Using the differentials of a stiffness matrix to design parameters, a method for calculating the sensitivity of natural frequency is presented. The numerical simulation results indicate that the design parameters have an impact on the frequency characteristics of the compliant mechanisms and the proposed method is more accurate and convenient for analyzing frequency characteristics.     

A compliant end-effector for microscribing

A new end-effector was designed and built for microscribing processes using principles of compliant mechanisms. Initial testing of a chemomechanical microscribing process showed that low forces produce lines that are significantly smoother, more uniform, and exhibit less material chipping. From the testing it is apparent that there is a need for a specialized precision end-effector that (1) is passively controlled, (2) has low axial stiffness, and (3) has high lateral stiffness. To meet these needs a three segment folded-beam compliant mechanism was chosen. This design is passively controlled, has a high axial/lateral stiffness ratio, is ideal for clean sensitive applications, and can be designed for a range of low forces. The axial stiffness of the end-effector was modeled using both the compliant mechanism pseudo-rigid body model and linear-elastic beam theory. The lateral stiffness was modeled using FEA techniques. Ratios of lateral stiffness to axial stiffness were found to be nearly 1000:1. A fatigue analysis was also performed and it was determined that the mechanism could reach approximately 1 billion cycles before failure. The compliant end-effector design is a significant improvement over existing scribing alternatives and can produce smooth and uniform scribed lines that exhibit less material chipping.     

辐板式人字齿轮结构稳态响应特性研究

利用有限元理论及分析方法,把采用集中质量法建立的某船用人字齿轮减速器动力学模型求出的动态载荷激励作为稳态响应求解的载荷输入,建立了辐板式人字齿轮结构的参数化模型,计算轮体结构前20阶固有频率和振型,采用模态叠加法进行瞬态计算,经过若干个周期循环,结合外部判断程序求得稳态解;同时采用上述方法,研究了辐板厚度和轮缘厚度对人字齿轮结构稳态响应的影响,得到了最优化结构参数,为齿轮结构设计、修改提供依据。