基于特征参数的DCA-LET结构设计与性能分析

设计了一种基于双C型结构的柔性铰链,称为DCA-LET柔性铰链。定义了影响该柔性铰链性能的特征参数,通过对8组不同特征参数实例的仿真分析,拟合了特征参数与等效弹簧刚度之间的关系,推导了基于该铰链特征参数的等效弹簧刚度的理论计算公式并且引入了修正系数。通过3组实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了理论计算公式以及修正系数的正确性。通过对比3组不同特征参数的DCA-LET柔性铰链与内LET柔性铰链的弯曲性能与抗拉性能,得出控制特征参数能够控制该柔性铰链的弯曲性能,同时保证其抗拉压性能并没有明显下降。     

S-LET复合型柔性铰链设计与性能研究

综合LET型铰链与S型铰链结构性能特点,提出了一种S-LET复合型柔性铰链,设计了该铰链的外形结构,并对其等效刚度进行分析,推导出铰链弯曲时的等效刚度计算公式。通过对不同尺寸S-LET复合型铰链弯曲等效刚度的分析,得出弯曲等效刚度修正系数,并验证了该系数的有效性。最后,通过对S型、LET型及S-LET复合型铰链弯曲变形及扭转变形的有限元仿真结果的比较,得出S-LET弯曲变形能力在S型与LET型铰链之间,而扭转变形则是三者中最小。     

Deform-X柔性铰链设计与分析

设计了一种Deform-X柔性铰链,利用微积分的思想分析了其等效刚度,推导了Deform-X柔性铰链弯扭耦合等效刚度的理论计算公式。通过一组实例的理论分析和ABAQUS仿真分析,验证了Deform-X柔性铰链等效刚度理论计算公式的正确性。选取外形尺寸相同的X型柔性铰链与Deform-X柔性铰链进行了性能比较分析,在相同转矩作用下,Deform-X柔性铰链弯曲变形转角约为X型柔性铰链的3倍。分别对X型柔性铰链和Deform-X柔性铰链进行了弯曲失效分析,结果表明Deform-X柔性铰链的可使用范围大于X型柔性铰链。设计了基于Deform-X柔性铰链的平面折展四杆机构的实物模型,通过实物测试和仿真分析表明Deform-X柔性铰链能够实现预期变形。最后,对尺寸相同的基于X型柔性铰链的四杆机构和基于Deform-X柔性铰链的四杆机构在相同力矩作用下的变形进行了分析,结果表明基于Deform-X柔性铰链的四杆机构变形更大。     

基于串联式Triple—LET的LEMs滑块机构分析

设计了一种基于串联式的Triple-LET新型柔性铰链,给出了该铰链的三维结构,并对其进行了弯曲等效刚度的理论分析,推导了该结构形式铰链的弯曲等效刚度计算公式并给出了修正系数。基于修正的弯曲等效刚度理论计算公式,对设计实例进行了分析计算,同时建立了该设计实例的有限元仿真模型,通过理论计算结果和仿真分析结果的比较,验证了该铰链设计的可行性。将该新型铰链应用于LEMs柔顺滑块机构的设计中,建立了该机构的基于修正弯曲等效刚度的伪刚体模型,并加工了该串联式Triple-LET铰链的滑块机构铍青铜实物模型,理论计算和实测结果基本一致,验证了理论模型的正确性和机构设计的可行性,同时也表明该滑块机构在工作状态具有较大变形,能保持较好的稳定性。     

平面折展机构S形柔性铰链设计与试验

设计平面折展柔顺机构的关键技术之一是设计柔性铰链。提出了一种用于平面折展柔顺机构的S形柔性铰链,设计了该铰链的结构形式,并对其等效刚度进行了分析,推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度和扭转等效刚度计算公式。通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了计算公式和仿真模型的正确性。制作了基于S形柔性铰链的平面折展柔顺滑块机构的实物模型,仿真分析和测试结果表明,该机构在工作状态可具有较大变形,并且滑块位移达到76 mm时仍能保持良好的精度,仿真与测试结果基本一致,误差仅为0.76%。     

平面折展升降柔顺机构设计

基于微型升降机构的工作原理,设计了一种平面折展升降柔顺机构,建立了该机构的伪刚体模型,利用虚功原理推导出平面折展升降机构的输入载荷与输出位移关系的计算公式。设计了基于LET铰链和LOOP铰链类型的平面折展升降机构实例,并对其中包含弧形片段的LOOP柔性铰链的弯扭耦合等效刚度进行了研究,分析得到其弯扭耦合等效刚度计算公式,通过2个设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了理论公式和仿真模型的正确性。设计了基于LOOP铰链的升降机构的实物模型,计算、仿真分析和测试结果表明,该机构可产生较大提升量并且仍能保持良好的精度,达到了设计目标。     

基于伪刚体模型的多层LEMs建模与仿真

结合刚性机构分类思想和刚体代替综合法,设计了一多层LEMs机构。基于柔顺机构伪刚体模型及LET铰链等效弹簧刚度模型,对多层LEMs进行分析,推导出该机构的输入载荷和输出位移量的理论计算公式,并用该理论计算公式对设计实例进行计算。同时对该设计实例进行有限元仿真分析,两种方法所得结果基本一致,表明理论分析的正确性和该设计的可行性。     

椭圆抛物线型复合柔性铰链机构研究

本文提出一种新型椭圆抛物线型复合柔性铰链机构,该柔性铰链由半个椭圆、半个抛物线复合而成。通过建立力学模型,推导出椭圆抛物线型复合柔性铰链的柔度计算公式,并利用有限元仿真软件对该复合柔性铰链进行仿真,验证了所推导公式的正确性。并分析该复合铰链各个结构参数对其柔度的影响,为其在精密传动与制造方面的应用提供了理论基础。     

大变形柔性转动副结构设计与柔度分析

目前运用较多的柔性运动副基本上只能产生微细变形,适用于微动领域,缺少能产生宏观尺度变形的柔性运动副。在弹性曲板变形理论的基础上设计出一种新型柔性转动副,可以满足宏观尺寸下的变形要求。通过理论分析建立其柔度矩阵,分析其转动刚度与转动误差,利用Matlab进行了理论计算,并进行了Ansys软件仿真与实体模型试验。结果表明:理论计算与仿真的转动刚度相对误差为5.6%,转动误差相对误差为3.4%,通过试验验证了转动刚度和转动误差相对角度变形的变化规律,说明对该新型大变形柔性转动副的柔度分析正确。     

数值法建立单向柔性铰链的刚度矩阵

以非对称3-RRC(RP)全柔性并联机构中的柔性铰链为例，介绍其结构型式并建立力学模型。利用二阶龙格-库塔法、4次拉格朗日插值和复化抛物形求积等方法得出了变截面柔性铰链单元所受外力与端部变形之间的关系。再由矩阵位移法建立其拉弯组合变形的刚度方程，借助等截面梁单元刚度矩阵的特点，最终求得柔性铰链刚度矩阵中各个元素的表达式，并用ANSYS软件进行了验证，具有一定准确性。     

柔顺关节并联机器人动力学模型

首次采用初始弯曲梁的伪刚体模型建立了柔顺关节的双1R伪刚体模型,应用拉格朗日方程和虚拟切割法推导了柔顺关节并联机器人系统动力学方程。对方程进行了数值求解,结果显示在理想结果的基础上存在低幅高频振动,而简化模型结果却比较理想,这表明理论模型比简化模型更能反映柔顺关节并联机器人这种刚柔耦合系统的特征;同时理论轨迹与ADAMS-ANSYS联合仿真轨迹、实验轨迹进行对比,最大相对误差分别为2.41%和4.69%,验证了理论模型的正确性。     

基于虚关节法的3T1R混联机构静刚度特性分析

基于虚关节法和构件有限元分析建立了考虑驱动副、滚珠丝杆副、线性导轨和运动杆件弹性变形的3T1R混联机构静刚度矩阵模型。通过在构件末端添加多自由度虚拟关节的方式来等效构件的弹性,将支链等效为一系列刚性构件,通过主动副、被动副以及虚拟关节连接的形式,给出了运动关节和虚拟关节变量对机构末端位姿的映射,应用虚功原理得到机构静平衡方程,推导了机构在一定外载下的刚度矩阵模型,采用无量纲变换法定义了局部线刚度和角刚度评价指标与全局线刚度和角刚度评价指标,据此分析了混联机构在典型位姿和工作空间域内的静刚度性能,并利用有限元仿真验证了刚度模型的准确性。结果表明,所建半解析刚度模型具有较高的精度;机构z向线刚度在工作空间内关于x=y轴线对称分布;机构x向、y向的线刚度沿x轴、y轴方向不变,具有解耦性;机构线刚度远大于角刚度。     

仿生变刚度关节设计与试验

变刚度关节是一种具有本质柔顺性的机器人机构,能够提高机器人与人交互作用时的安全性。本文设计了一种采用弹簧片的机械式仿生变刚度关节,利用差动轮系实现关节位置与刚度的独立控制。基于弹簧片大挠度变形,在关节中采用的2种弹簧片末端施力结构对刚度特性的影响进行分析,仿真结果表明,末端施力结构对偏转时的刚度变化有较大影响。对变刚度关节样机的刚度性能进行试验,试验结果与仿真结果一致,表明该关节具有较大的刚度变化范围,并且2种末端施力结构可以分别满足持续高刚度和碰撞安全性的应用要求。     

车身焊点布置优化研究

以某款车身为研究对象,对已有焊点布置进行拓扑优化,在保证车身综合性能条件下进一步减少焊点数量。首先建立弯曲工况、扭转工况和模态工况,分析其刚度、强度以及模态,然后利用拓扑优化对焊点进行优化布置。焊点拓扑优化以车身焊点体积最小为优化目标,以保证原有弯曲、扭转以及模态工况下的性能为约束条件,设计变量为焊点单元密度。最后,通过仿真对比验证基于拓扑优化车身焊点的优越性。结果表明,车身焊点数量由3841降到3786,减少了55个焊点,基于拓扑优化后的车身综合性能基本保持不变,有效降低了成本。