考虑输出刚度不确定性的柔顺机构拓扑优化设计

为了降低机构性能对输出刚度不确定因素的敏感程度,提出一种考虑输出刚度不确定性的柔顺机构拓扑优化设计方法。采用区间模型描述输出刚度的不确定性,利用多项式混沌展开式(Polynomial chaos expansion, PCE)和Smolyak稀疏网格积分法计算随机响应统计矩,以机构输出位移的期望值最大化和标准差最小化为目标函数,以机构结构体积为约束,建立考虑输出刚度不确定性的柔顺机构稳健性拓扑优化模型,采用移动渐近线优化算法更新设计变量。夹持器和咬合机构数值算例验证提出设计方法的有效性,与确定性拓扑优化结果比较,稳健性拓扑优化设计获得的柔顺机构构型有所不同,机构的输出位移标准差减小,有效地降低机构对输出刚度不确定性的敏感程度。随着加权系数增大,获得的柔顺机构输出位移标准差和期望值减小。随着不确定输出刚度幅值增大,获得的柔顺机构输出位移标准差增大,并且输出位移期望值有所减小。     

基于压电作动器驱动的微操作机构设计与运动控制

设计了一种由压电作动器驱动的微操作机构。基于柔顺机构原理设计了桥式位移放大机构,以改善压电作动器的输出位移。利用伪刚体法和Euler-Bernoulli柔性梁理论建立微操作机构的静力学模型,并通过Lagrange方法推导出其动力学方程,进而获得机构的自然频率。借助于差分进化算法进行柔性铰链几何尺寸优化,并与计算机有限元仿真分析进行交叉验证。最后,实验验证了所提出微操作机构能够获得位移放大倍数为9.8和行程为180μm;在基于观测器PID控制下,机构位移均方根误差和最大位移误差分别为0.071、0.128μm。本文提出的微操作机构具有精度高、鲁棒性强的运动效果。     

柔顺微夹持机构理论分析与实验

微操作系统中柔顺微夹持机构作为执行端是完成微操作的关键部件。提出了一种新型柔顺微夹持机构,利用虚功原理建立了该微夹持机构的伪刚体模型,推导了微夹持机构的位移方程,得到了该微夹持机构的输入位移与输出位移以及驱动力与输出位移关系。建立了该微夹持机构的三维模型,并在ANSYS软件中进行仿真,将仿真结果与理论结果进行比较,验证理论模型的准确性。最终加工了该微夹持机构并进行了实验,将实验数据与理论值、仿真值进行对比,进一步验证了理论模型的准确性。     

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。     

汽车多片钢板弹簧刚度分析的一种新模型及计算方法

提出了求解汽车多片钢板弹簧刚度的一种新模型及计算方法。基于曲线梁理论,整合出一种全新的适合于汽车多片钢板弹簧刚度分析的的一阶矩阵微分方程,并借助于精细积分法建立了一种高精度的计算方法。文中给出了计算实例,通过与其它几种计算方法的比较,有力验证了该方法的有效性。     

基于恒力机构的香蕉落梳装置设计与自适应性分析

针对香蕉机械化落梳过程中出现的自适应性差的问题,设计了基于恒力机构的可自适应环抱蕉茎插切式香蕉落梳装置,并对落梳装置的径向自适应性和转动自适应性进行了分析。采用两斜置压缩弹簧的结构,引入负刚度,再与正刚度的水平压缩弹簧并联组成恒力机构,提高了落梳刀具组对果轴粗细的径向自适应性,对恒力机构的力-位移特性曲线和刚度-位移特性曲线进行分析,并优选关键参数,得出斜置压缩弹簧的刚度系数k1=12 N/mm,水平压缩弹簧的刚度系数k2=3 N/mm,初始状态斜置压簧的倾斜角θ0=36. 87°,恒力行程对应的落梳刀组包络圆直径范围为80～100 mm,对应的恒力f=180 N。在加载有扭簧的虎克铰链基础上设计了可释放两个转动自由度的落梳刀盘,根据测定的香蕉果轴弯曲度设置刀盘旋转角范围为±10°,根据建立的三维模型中的几何参数得出,落梳刀具末端的工作空间是一个半径为300 mm的球面。对落梳刀具末端的柔度矩阵进行分析,结果显示,落梳刀盘旋转角为0°,即刀盘与机架上底面平行时线柔度最大,最大值为0. 818 2 mm/N,落梳刀盘旋转角为10°时线柔度最小,最小值为0. 77 mm/N,说明落梳刀具末端的线柔度随刀盘旋转角的增大而减小。试验结果表明,梳柄切口符合试验指标的蕉梳占所有样本的81. 25%,切口质量良好,该装置设计合理,且满足实际落梳作业的要求。     

考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑构型设计

为了避免大变形引起静强度失效,提出一种考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑优化设计方法。采用Total Lagrangian描述方法和增量式Newton Raphson法求解机构的大变形响应问题;采用基于假设密度场的单元势能插值法,从而避免几何非线性拓扑优化出现的数值不收敛问题;以输出位移最大化作为优化目标,采用改进的P范数将机构所有单元局部应力约束转换为一个全局应力约束,构建考虑全局应力约束的柔顺机构几何非线性拓扑优化模型,采用移动渐近线算法求解优化问题。数值算例结果表明,采用本文方法获得的大变形柔顺机构能够有效满足应力约束。随着允许应力约束值的减小,机构构型中的铰链区域逐渐扩大,使机构的柔度分布更加均匀,但是输出位移逐渐减小。     

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。     

软体手臂刚度特性分析

气动肌肉驱动的软体机器人具有质量轻、功率密度比高、人机交互安全性高等优点。提出了一种由伸长型及收缩型气动肌肉组成的变刚度软体机器人手臂,能够实现位置与刚度的解耦。针对单根收缩型及伸长型气动肌肉进行了刚度测试实验,利用最小二乘法建立了单根气动肌肉气压、位移及刚度关系模型。基于所建立的单根气动肌肉刚度模型,针对所设计的软体手臂,建立了手臂刚度模型。搭建了手臂刚度测试实验平台,通过实验验证可知理论模型与实验模型的刚度变化趋势一致,平均相对误差为3.60%,最大相对误差为6.17%。     

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%。     

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。     

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。     

高地下水位冻土区抛物线形渠道冻胀力学分析

考虑渠道断面各截面地下水位以及局部几何特性逐点不同的特殊性并结合Winkler假设,提出了高地下水位冻土区抛物线形渠道衬砌法向冻胀力与切向冻结力计算方法及截面内力计算公式.考虑曲梁曲率影响提出基于曲梁理论的截面正应力计算方法及抗裂验算公式.以河北某抛物线形渠道为例,分析衬砌截面轴力、弯矩及应力分布规律.结果表明:轴力自渠顶向渠底中部逐渐增大且均为压力;衬砌板主要在负弯矩作用下凸向内侧,仅在临近渠底时由负变正转而凸向外侧;由于存在拱效应,各截面均以压应力为主,仅渠坡中下部内侧及渠底中部附近外侧出现拉应力从而易导致开裂.分别应用直梁理论和曲梁理论计算衬砌板截面应力并进行对比分析.发现渠底中心附近曲率较大处两者相对误差可达11.78%,且直梁理论的计算结果量值偏小、安全性低,应当基于曲梁理论进行应力分析更加合理.     

分流式柔性铰六维力传感器刚度分析与结构优化

针对目前已有六维力传感器的不足,基于并联机构设计了一种分流式柔性铰六维力传感器。阐述了传感器的结构,通过等效法和微元法建立了其静力和刚度模型,对刚度模型进行了有限元仿真验证。基于遗传算法进行了结构优化设计,得到了传感器各向同性最优时的结构参数。最后对传感器进行标定实验。实验结果验证了静力模型的有效性,得到了传感器测量精度。传感器测量误差在1. 05%以内,能够精确测量未知外载的六维分量。     

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。     

微型双自由度全柔性五杆机构设计与分

分别采用伪刚体模型和拟柔性模型对双自由度全柔性五杆机构进行了分析,建立了不完全分布柔度全柔性五杆机构的伪刚体模型和拟柔性模型,推导出外载荷与位移关系的一般公式.设计了一微型对称全柔性五杆机构,利用刚性五杆机构几何关系和迭代程序,给出了该机构拟柔性模型的理论计算结果,同时用ANSYS对该实例进行了分析.通过实例的理论计算和有限元分析结果的比较,验证了理论推导的正确性,同时也验证了拟柔性模型分析方法的有效性.     

端面规则凹坑造型机械密封综合性能的数值分析

考虑密封端面间液膜的空化现象和流体动、静压效应的相互影响,建立了端面规则凹坑造型机械密封的理论分析模型,利用多重网格法分析了在不同的密封系数下,球缺面凹坑的几何结构参数对端面间液膜开启力、摩擦转矩和液膜刚度的影响.结果表明,密封系数和微凹坑的深径比对密封性能的影响较大,密封系数越大,液膜开启力和刚度越大,存在最优的深径比使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的深径比随着密封系数的增大而减小;面积密度对密封性能的影响不明显,存在最优的面积密度使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的面积密度不受密封系数的影响.     

空间全柔性并联机构动力学分析

针对精密柔性机构多自由度高精度运动的需求,以传统Delta并联机构为基础,设计了一种采用压电陶瓷驱动方式的空间柔性并联机构,基于伪刚体模型进行运动学分析。将从动臂质量分布作简化处理并主要考虑结构中柔性铰链的弹性应变能,利用拉格朗日方程建立动力学弹性振动微分方程,得到其固有频率表达式,并结合实际结构参数得到了相应的理论结果。3个主要运动方向的三阶固有频率的试验结果和理论分析结果误差分别为:12.71%、12.14%和14.90%,有限元仿真结果和试验结果误差分别为:6.20%、5.66%和10.28%,表明理论分析时所作的简化处理合理,得到的动力学数学模型有效、可信。