基于应变能匹配的伪刚体模型参数优化

论文摘要

在柔顺机构中,机构的运动、力以及能量的传递与转换,主要靠机构中柔性构件的变形来实现。与靠传统运动副来实现的刚性机构相比,柔顺机构在提高性能和降低成本两方面具有很大的优势。但柔性构件的大变形带来的几何非线性问题不仅使柔顺机构的分析和设计变得复杂,也影响了柔顺机构的广泛应用,因此对柔顺机构的研究是很有必要的。伪刚体模型的目的就是提供一种能够分析非线性大变形系统的简单方法,将刚性机构的理论方法用于分析柔顺机构。目前伪刚体模型参数的选取一般采用参数近似法,误差比较大。为此本文提出一种基于应变能匹配的伪刚体模型参数优化设计方法,主要完成的工作如下:（1）在现有2R伪刚体模型的基础上提出固定导向梁的2R-1P伪刚体模型,分析模型的几何关系和力学关系,列出其力学平衡方程,通过基于应变能匹配的优化算法对其模型参数即特征半径系数和扭簧常数进行优化。利用优化后的模型分析折展式内、外铰链,将其简化为固定导向梁的2R-1P伪刚体模型,计算力位移关系,并在ANSYS软件中对折展式内、外铰链进行建模,分析两者误差,证明了基于应变能匹配优化后模型的准确性,进一步尝试将此方法应用于其它伪刚体模型的参数优化。（2）分析现有3R伪刚体模型的优化方法,在固定导向梁的2R-1P伪刚体模型优化方法的基础上,利用基于应变能的方法来优化3R伪刚体模型。对比应变能优化的模型与现有运动学优化的模型,分析两者的末端轨迹误差和末端转角误差,发现利用应变能优化的3R伪刚体模型可更加准确的模拟柔顺梁的变形。将应变能优化后的模型应用于实例分析中,建立部分柔顺四杆机构的3R伪刚体模型,采用应变能优化的参数计算其变形,最终得到了与实际变形较吻合的结果,验证了应变能优化的3R伪刚体模型的准确性和实用性。（3）在静力学分析的基础上,考虑分析伪刚体模型的动力学特性,具体推导1R、2R、3R三种伪刚体模型的动力学方程,计算其动能和变形能,代入拉格朗日微分方程中,推导其动力学方程组,绘制三种伪刚体模型的动力学响应曲线,对比发现3R伪刚体模型能更加真实反映柔顺机构动力学特性。将其应用于实例分析中,建立平行导向机构的3R伪刚体模型,同理推导其动力学方程组,分析动力学特性。本文采用基于应变能的优化方法对两种伪刚体模型进行优化,并对应变能优化后的模型进行一系列力学分析,并在柔顺机构中应用这两种伪刚体模型进行实例计算,验证了基于应变能优化的可行性和准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 柔顺机构概述
•     1.1.1 柔顺机构简介
•     1.1.2 柔顺机构国内外研究现状
•     1.1.3 柔顺机构的应用与挑战
•   1.2 柔顺机构设计方法
•     1.2.1 分析与综合方法
•     1.2.2 伪刚体模型法
•   1.3 论文的研究内容及结构安排
• 第二章 固定导向梁的伪刚体模型
•   2.1 2R-1P模型的建立
•   2.2 固定导向梁的CBCM模型
•   2.3 优化及其结果
•     2.3.1 优化过程
•     2.3.2 优化结果
•   2.4 实例分析
•   2.5 本章小结
• 第三章 3R伪刚体模型的优化设计
•   3.1 3R伪刚体模型运动学优化
•     3.1.1 受力矩载荷的3R伪刚体模型
•     3.1.2 受垂直力载荷的3R伪刚体模型
•     3.1.3 优化过程及结果
•   3.2 3R伪刚体模型应变能优化
•     3.2.1 应变能优化过程
•     3.2.2 应变能优化结果
•   3.3 末端轨迹分析
•     3.3.1 末端受力矩载荷
•     3.3.2 末端受垂直力载荷
•   3.4 受复合载荷作用的3R伪刚体模型应变能优化
•     3.4.1 优化过程
•     3.4.2 优化结果
•     3.4.3 末端轨迹分析
•   3.5 实例分析
•   3.6 本章小结
• 第四章 伪刚体模型的动力学分析
•   4.1 3R伪刚体模型的应变能
•   4.2 伪刚体模型动力学分析
•     4.2.1 动能分析
•     4.2.2 变形能分析
•     4.2.3 动力学方程及响应曲线
•   4.3 实例分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 论文工作总结
•   5.2 研究工作展望
• 附录A 部分3R伪刚体模型建模程序（Matlab）
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 樊利利

导师: 杜敬利,高鹏

关键词: 柔顺机构,伪刚体模型,应变能优化,模型参数

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,机械工业

单位: 西安电子科技大学

分类号: O313.3;TH112

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001098

总页数: 78

文件大小: 6633K

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