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。     

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。     

Nested-LET柔性铰链设计与性能分析

针对平面折展机构中柔性铰链在承受拉压载荷时变形大、转动精度差等问题,基于外LET铰链和嵌套结构的方法,提出了一种Nested-LET柔性铰链。设计了该铰链的结构,利用等效弹簧模型推导了其弯曲及拉压等效刚度计算公式并给出了修正系数。通过设计实例的理论计算和仿真分析,验证了理论分析的正确性和设计的可行性。比较了相同尺寸的Nested-LET与外LET铰链的弯曲性能与抗拉性能,结果表明,Nested-LET铰链弯曲刚度增加了1.5倍,拉压刚度提升了30倍,且转动中心漂移量有所下降。最后,通过拉伸实验验证了分析的正确性。     

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。     

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。     

可折展管道蠕动并联机构设计与运动仿真

为探索管道蠕动机构及其移动方式,设计一种具有折展能力的3-URU管道蠕动并联机构。该机构支链运动副R与U的空间位置关系能等效成Sarrus结构,可实现并联机构的折展,对折展原理和折展干涉进行分析,求得该机构折展比,并通过仿真验证其折展效果。应用螺旋理论计算该机构自由度,求解位置正解方程,并通过蒙特卡洛法求得该机构的工作空间。在管道内对机构进行蠕动步态规划,并利用ADAMS软件进行管道内的蠕动步态验证,得到两平台位移曲线和支链转角变化曲线。研究表明,该并联机构可实现管道内的蠕动,且折叠后体积较小。     

3-PUS-PU柔顺并联机构运动学分析与优化设计

提出一种具有高精度、高刚度的3-PUS-PU柔顺并联机构,并对该机构进行运动学分析及优化设计。根据柔性铰链结构与机构间几何关系,对3-PUS-PU柔顺并联机构的运动原理进行阐述,并分析了该机构运动特性。采用空间闭环矢量法建立机构的运动学模型,对机构的输入-输出关系和速度特性进行了分析。基于力学理论,通过求解柔性铰链的极限转角,对机构的工作空间进行分析。根据机构的工作要求,提出定位精度指标和紧凑性指标,并进一步分析机构几何尺寸参数对其性能指标的影响。基于提出的性能指标,采用粒子群优化算法对机构的结构尺寸参数进行优化设计。结果表明,相比优化前,优化后的柔顺并联机构的定位精度提高25%,紧凑性提高81%,机构整体运动性能有了较大的提升,为后续样机研制提供了参考依据。     

压电陶瓷驱动器杠杆式柔性铰链机构放大率计算方法

在精密微位移领域,杠杆式柔性铰链机构常被用来放大压电陶瓷驱动器产生的微小位移。在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导出杠杆式柔性铰链机构放大率计算公式,并采用有限元分析和实验测试进行验证。通过公式计算、有限元仿真分析和实验测试得到的放大率分别为8.31、8.38和8.20,有限元仿真值和公式计算值之间的误差为1％,实验测试值和公式计算值之间的误差为1.3％,证明了计算公式的正确性。     

基于伪刚体因子的LEMs设计

伪刚体模型是柔性机构运动、动力学性能分析及综合的基础,梁和铰链的组合是基本的柔性片段,用柔性片段代替刚性构件设计柔性机构是刚体替代综合法的基本思路。传统伪刚体模型不考虑几何非线性影响和梁的变形,使伪刚体模型和设计的实际柔性机构存在较大误差,为了减小误差,建立了几何非线性影响下的修正伪刚体模型;为了确定伪刚体模型的可用条件,提出了伪刚体因子的概念,通过分析得出伪刚体因子在一定范围可以用柔性片段直接代替刚性构件,从而得到柔性机构。最后在该条件下基于蚁群连续空间优化算法给出了用于细胞工程的LEMs机构的优化实例,结果表明该伪刚体因子可应用于LEMs的设计。     

基于有限元分析的EPS助力电机轴等效刚度确定

在建立电动助力转向系统数学模型时,各部件的特性参数对其性能影响很大;电动助力转向系统的助力电机通过蜗轮、蜗杆减速后实现对驾驶员助力,而蜗轮、蜗杆传动机构通过橡胶缓冲套支撑在轴承上,且蜗轮与蜗杆啮合属接触问题,用工程力学无法计算电机轴等效刚度,从而在产品开发阶段建立电机动力学模型时其等效扭转刚度很难确定,本文基于有限元法对该机构等效刚度计算方法进行了研究,该算法还可用于根据系统性能要求确定机构形状和尺寸。     

加工误差影响柔性铰链机构位移性能的有限元分析

提出一种柔性铰链机构的参数化有限元建模方法,利用有限元软件ANSYS提供的参数化程序设计语言APDL编制程序,在ANSYS中自动生成有限元分析模型。采用该方法分析了柔性铰链最小厚度,切割半径、宽度的加工误差,以及切割圆弧轴心线绕x轴、y轴、z轴的转角误差对柔性铰链机构位移性能的影响情况。分析结果表明,柔性铰链最小厚度的加工误差是对柔性铰链机构位移性能影响最大的因素。     

水轮发电机组轴系刚度近似计算方法

为了提出一种基于摆度测试数据的近似计算方法,基于水力发电机组转子和转轮形心轨迹运动方程,利用转子和转轮摆度比值关系对运动方程中的刚度耦合项进行解耦;然后,根据轴系振动的稳态特征,忽略轴系扭转、不计作用于发电机转子和水轮机转轮阻尼系数的影响,得到稳态下的简化形心轨迹运动方程,进而导出轴系等效刚度的近似计算模型;同时,结合水力机组特殊运行工况,对转轮、转子处附加外力做近似处理,给出了利用特殊运行工况振动测试数据近似计算轴系刚度的计算方法.同时,利用机组运行模拟系统进行仿真计算,仿真结果表明,提出的近似计算方法所获取的刚度数据与仿真系统给定刚度数据虽然存在一定的误差,但是基本反映了轴系刚度与振动的关系,对于实际工程具有一定的参考价值.