平面全柔性并联机构柔性铰链的优化分析

以减小全柔性并联机构中最大应力为目标,通过约束优化算法,并结合ANSYS仿真,研究了3-DOF 4 RRR过驱动并联机构中柔性铰链的优化问题.通过ANSYS建立了全柔性机构的有限元模型,并进行了力学性能分析,给出了机构的性能图谱;建立了全柔性机构中柔性铰链的参数优化模型,采用MATLAB对柔性铰链的最小铰链厚度t和铰链半径R进行优化,并通过ANSYS仿真对优化结果进行检验.检验结果证明,当输出位移一定时,对柔性铰链进行优化后的机构的最大应力比优化前的机构小.     

压电阀电-机械转换器结构设计分析

为提高现有喷嘴挡板型电液伺服阀的静、动态性能,采用双压电晶片及铍青铜制作出喷嘴挡板式压电阀的电-机械转换器.针对压电层和金属层的宽度、长度和厚度等结构参数对电-机械转换器静、动态性能的影响进行了理论、仿真及实验研究.结果表明：宽度对静、动态性能没有影响,输出位移同长度的平方成正比.长度增大时,幅频宽和基频减小;金属层厚度或压电层厚度增大时,输出位移减小,幅频宽和基频增大.最后对电-机械转换器的振型进行了仿真分析,结果表明满足设计要求.     

基于ANSYS的国产数控机床高速电主轴的仿真分析

为了研究国产数控机床高速电主轴的静、动态性能,通过ANSYS分析软件建立了电主轴的简化有限元模型,对电主轴的静、动态特性参数进行了数值仿真分析;并采用实验模态测试技术验证了有限元模型的有效性和准确性;在此基础上,分析了电主轴支撑跨距对电主轴动态性能的影响规律,确定了电主轴跨距的最优范围.结果表明,有限元仿真与实验模态测试结合,能有效分析电主轴的动态性能,并实现结构的优化.     

矿用防爆胶轮车车架优化设计及其静动态分析

针对当前某矿用防爆胶轮车质量较大及车架局部刚性较弱的问题,通过HyperWorks的静、动态尺寸优化分析确定出车架各区域钢板的理想厚度,并依据动、静态安全系数对车架模型的钢板厚度作了减薄处理.修改后的模型经ANSYS分析显示前车架前端区域出现了应力集中现象,变形超出设计要求.结合车架的模态分析结果,发现变形较大的原因为前车架前端横向刚度较弱.通过在车架前端局部增加两横梁,重新分析后,结果理想,能够达到车架的设计要求.经优化后,车架总质量减轻了18.27%,车架的约束模态频率相比原结构有较大的增加.     

ADAMS和ANSYS对机构的联合仿真分析

提出了利用ADAMS和ANSYS的联合仿真对机构进行优化设计。利用ADAMS软件对机构进行动力学仿真分析;将动力学仿真分析得到的载荷谱输入ANSYS软件中,计算出机构更精确的应力和应变值;利用ADAMS软件构建一个刚柔耦合模型,从而可以更加真实地模拟机构的动态性能,提高计算精度。并以夹紧机构为例,说明了该方法的有效性。     

基于Optistruct的电池包箱体优化设计

本文基于ANSYS Workbench平台对电池包箱体进行静、动态有限元分析,找到箱体结构的薄弱位置。 采用Optistruct软件,运用形貌优化和复合材料优化技术对箱体进行优化设计,得到了在箱体上盖设置的凸包结构的最优几何参数和平面布局,并构建了优化后上盖的三维模型,同时得到下箱体各层组的厚度分布情况及最优厚度。经验证,优化后箱体最大变形量较优化前降低了82%,刚度提升显著,最大等效应力降低了70%,箱体强度得到明显改善,其一阶固有频率为32.5Hz,可避免共振情况发生,优化后箱体重量减轻了67%。优化后电池包箱体对动力电池安全工作能起到更有效的防护作用,且轻量化效果显著,此研究为进一步分析实际电池包箱体结构奠定基础。     

虚拟样机的高空作业车举升机构优化设计

为减小高空作业车举升机构液压缸的作用力,利用ADAMS机械系统动力学仿真软件建立举升机构虚拟样机模型,对举升机构作业过程进行动力学仿真,得到各构件铰链点的作用力。在此基础上,基于ADAMS集成的优化算法,以下臂与上臂液压缸作用力最小为优化目标,对举升机构的各铰链点位置进行优化。优化结果表明,优化后举升机构的下臂与上臂液压缸作用力减小,相比优化前作用力分别减少了8.04%与3.54%。该研究可为减小高空作业车举升机构液压缸的作用力提供参考,以降低制造成本。     

平面绳索牵引并联机器人静态刚度

以平面绳索牵引并联机器人为对象,对动平台的静态刚度进行理论分析和仿真研究.针对平面1R2T绳索牵引机构模型,建立系统静态力螺旋平衡方程,通过微分变换推导动平台静态刚度表达式,得出影响系统静态刚度的因素为绳索拉伸刚度和绳索拉力,且两者的影响是相互耦合的.通过有限元软件ANSYS建立了平面绳索牵引并联机器人模型,根据等效静...     

二自由度两弹簧系统振动实验设计与分析

设计了二自由度两弹簧振子系统,并进行了系统理论模态分析与ANSYS仿真,通过激振实验对系统进行了频率响应特性和模态分析,研究了系统振动动态特性测试。研究结果表明,实验观测数据、ANSYS仿真结果与理论分析值较为一致。通过对弹簧振子的动态性能测试和分析,为深入研究机械振动特性提供了参考。     

动(静)叶调节轴流风机动态实时仿真模型

根据动（静）叶调节轴流风机静态性能曲线的特点,提出采用曲面拟会和插值两种数学方法建立其静态性能模型,并考虑仿真对模型易用性的要求,重点介绍静态模型建立的数学插值法。在插值型静态模型的基础上,依据风机的有关定律和原理,建立了轴流风机的动态实时仿真模型。该模型可以对运行中风,机的流量、全压等参数以及喘振故障发生的条件和现象进行实时仿真。工程实际应用表明：该模型易于使用,静态和动态变工况性能与原经验型仿真模型相比,能更好地反映实际风机的特性。     

静不平衡测量系统柔性杠杆机构分析优化

以质心投影法为主要测量原理,柔性杠杆机构为桥梁,设计一套多框架机构静不平衡测量系统,分析测量原理特性表明:降低柔性杠杆输出端柔度能够有效提高系统测量精度。基于直圆型柔性铰链封闭方程,建立柔性杠杆的柔度模型,利用有限元分析软件Ansys验证柔度模型的准确性,并通过合理设计优化函数和约束条件,对柔性杠杆机构输入和输出端进行相应优化。结果表明:采用封闭方程建立柔度模型的方法是可行的,其柔度理论值与仿真值误差在9%以内,同时建立的优化函数切实可行,在力臂放大系数变化量仅为2%的前提下,杠杆输出端柔度降低了18.63%,增加了杠杆线性度范围,从而有效提高了静不平衡测量系统测量精度。     

Simulation optimal design of a compliant mechanism with circular notch flexure hinges based on the equivalent beam methodology

This paper presents an in-depth study of Equivalent beam model (EBM).Firstly three-dimensional (3D) finite element analysis (FEA) model for circular flexure hinge developed by Zettl et al.was verified by the comparison with Smith’s experimental results and the 3D FEA model was feasible within 5.5% error.Then the accuracy of Timoshenko short-beam due to shear force was verified based on finite element method.The results showed that the EBM has good accuracy within 5% error for 1≤r/t≤3.Finally the EBM methodology was applied for the simulation optimal design of a bridge-type compliant mechanism.The results showed that the EBM methodology has very high numerical efficiency and satisfactory accuracy for simulation optimal design of planar compliant mechanism with flexure hinges.     

Optimal design of dynamic and control performance for planar manipulator

k]A design and optimization approach of dynamic and control performance for a two-DOF planar manipulator was proposed. After the kinematic and dynamic analysis, several advantages of the mechanism were illustrated, which made it possible to obtain good dynamic and control performances just through mechanism optimization. Based on the idea of design for control (DFC), a novel kind of multi-objective optimization model was proposed. There were three optimization objectives: the index of inertia, the index describing the dynamic coupling effects and the global condition number. Other indexes to characterize the designing requirements such as the velocity of end-effector, the workspace size, and the first mode natural frequency were regarded as the constraints. The cross-section area and length of the linkages were chosen as the design variables. NSGA-II algorithm was introduced to solve this complex multi-objective optimization problem. Additional criteria from engineering experience were incorporated into the selecting of final parameters among the obtained Pareto solution sets. Finally, experiments were performed to validate the linear dynamic structure and control performances of the optimized mechanisms. A new expression for measuring the dynamic coupling degree with clear physical meaning was proposed. The results show that the optimized mechanism has an approximate decoupled dynamics structure, and each active joint can be regarded as a linear SISO system. The control performances of the linear and nonlinear controllers were also compared. It can be concluded that the optimized mechanism can achieve good control performance only using a linear controller.     

Analysis of the Micro-Rotation Compliant Mechanism Based on the Corner-Filleted Flexure Hinges

基于直梁圆角型柔性铰链的小转角柔顺机构

鄢永耀^1,2,刘伟¹ ,颜昌翔¹ ,付锦江^1,2

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 130033;

2.中国科学院大学,北京 100049）

创新点说明：

1）通过对称变换和坐标平移的方法较为简单方便的推导出了直梁圆角型柔性铰链的柔度公式;

2）设计了一种由8个直梁圆角型柔性铰链组成的适用于某快速微调装置中的小转角柔顺机构

研究目的：

根据研究的直梁圆角型柔性铰链柔度公式及小转角柔顺机构力学特性,对某快速微调机构的旋转部分进行结构设计及优化。

研究方法：

1）对称变换及坐标变换的方法（理论计算）;

2）三维建模和有限元分析;

3）建立优化模型及运用matlab软件的fmincon优化指令。

结果：

1）推导了直梁圆角型柔性铰链的柔度公式;

2）设计了小转角柔顺机构,并推导出了工作力矩/刚度的理论公式;

3）根据某快速微调机构的技术要求,进行了结构设计及优化。

结论：

1）本文通过采用对称变换及坐标变换的方法,相比于传统的微积分直接计算更加简单方便的推导出了倒圆角柔性铰链的柔度公式,经验证,理论推导的结果与有限元结果比较大体一致,误差不超过8%。

2）结合此倒圆角柔性铰链的柔度公式,研究出一种一维旋转机构——小转角柔性机构,并推导出工作力矩/刚度的理论公式,分析了结构参数对工作刚度的影响,通过有限元分析及测试实验验证了柔性机构的力矩理论公式准确可靠。

3）根据某空间项目的技术要求,设计了相应的小转角柔性机构,并通过优化模型对此柔性机构进行了尺寸优化使得其满足约束条件的同时工作力矩尽量小。

关键词：柔性铰链,直梁圆角,柔顺机构,刚度,优化,理论模型

     

基于扰动观测器的电动负载模拟器控制系统设计

针对以永磁同步电机作为驱动元件的电动负载模拟器,提出基于扰动观测器的双回路控制系统设计方法.采用机理建模方法,建立负载模拟器数学模型,并通过实验确定系统标称对象模型参数和模型不确定性权函数.以舵机扰动抑制要求为性能权函数,通过控制结构等价变换,采用H∞混合灵敏度方法设计内回路扰动观测器.外回路设计以拓展力矩加载频带为性能权函数设计控制器.对某型电动负载模拟器控制系统的设计和调试结果表明,在最大加载力矩为50 N?m时,电动负载模拟器动态加载平坦段最高频率达到15 Hz,静态加载精度小于0.1 N?m.     

Design of single-axis flexure hinges using continuum topology optimization method

The design of compliant hinges has been extensively studied in the size and shape level in the literature.This paper presents a method for designing the single-axis flexure hinges in the topology level.Two kinds of hinges,that is,the translational hinge and the revolute hinge,are studied.The basic optimization models are developed for topology optimization of the translational hinge and the revolute hinge,respectively.The objective for topology optimization of flexure hinges is to maximize the compliance in the desired direction meanwhile minimizing the compliances in the other directions.The constraints for accomplishing the translational and revolute requirements are developed.The popular Solid Isotropic Material with Penalization method is used to find the optimal flexure hinge topology within a given design domain.Numerical results are performed to illustrate the validity of the proposed method.     

快堆装载机支臂结构的动静态性能拓扑优化设计方法

摘要：针对快堆装载机支臂结构的动静态性能和轻量化设计要求,采用有限元法验证了原结构的安全性,提出了一种基于变密度法固体各向同性惩罚微结构（SIMP）,通过引入标准化系数建立起将多工况刚度和动态多个低阶关键固有频率归一为组合柔度指数最小的动静态多目标拓扑优化数学模型,并得到了合理的整体Pareto解。分析结果表明,根据拓扑优化结果改进设计的支臂动态性能明显提高,在安全停堆（SSE）工况下最大Tresca应力减小约10%,结构重量减轻约21.5%,较好地达到了既提高性能又减轻重量的结构优化目标。