柔性双稳态及多稳态机构的设计与分析

摘要

双稳态及多稳态柔性机构借助其优良的力学特性，在MEMS产品设计、微装配和微操作、空间可展开机构设计等领域具有广泛的应用需求。但是国内外的研究现状已反映出，目前柔性机构在多稳态构型设计，跳跃阈值力及稳态特性等方面存在许多难点以及亟待解决的问题。针对这些问题，本论文主要展开了以下研究工作:
　　1.针对柔性梁类双稳态机构跳转阈值力过高和双稳态特性不明显的问题，提出了两类低阈值双稳态柔性机构的设计方法:(1)基于局部变截面的低阈值双稳态机构设计方法，采用截面局部加强的方法来改变双稳态机构的跳跃路径，即通过改变刚性截面的数目、刚性位置以及强化程度来降低结构的跳转临界力。具体实现方法为:以降低跳转力和增大保持力为优化目标，以刚性截面面积和刚性位置为优化变量，采用先优化跳转力后优化保持力的两步优化过程，得到一种具有四个加强单元的低阈值双稳态机构，数值试验验证了所提设计方法的可行性;(2)基于柔性侧梁支撑的低阈值双稳态柔性机构设计方法，通过改变柔性梁固定端的支撑刚度来达到降阈值的目的。采用MEMSLIGA工艺制作样件并进行实验，实验结果证明本论文所提方法确实可行。
　　2.针对双稳态柔性梁和板壳结构稳态个数少、行程不可控的问题，提出了两类多稳态机构设计方法:(1)基于全柔性直线梁的内外嵌套组合三稳态机构设计与分析方法，通过两个不同尺度的双稳态结构之间的相互作用，实现机构的三稳态功能;(2)提出一种变厚度多稳态板壳机构，通过讨论多稳态机构的不同剖面形状对多稳态力学特性的影响，发现当形状为锥形时，力学特性较好。基于此结构，通过改变加强筋的数目和位置，得到一组具有多稳态特性的凹凸结构，研究了加强筋数目和位置对变体结构稳态数目的影响程度，指出结构稳态个数存在区域突变的特点，研究了加强筋数目和位置与结构稳态个数之间的关系。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 柔性双稳态机构

1．2 双稳态机构研究现状

1．2．1 柔性梁类双稳态机构研究现状

1．2．2 板壳类双稳态机构研究现状

1．3 论文的主要工作

2 柔性结构的大变形理论研究

2．1 概述

2．2 大变形理论计算方法

2．2．1 尖点突变理论

2．2．2 伪刚度法

2．2．3 有限单元法

2．2．4 其它解析算法和数值解法

2．3 小结

3 低阈值全柔性双稳态及多稳态梁结构设计

3．1 概述

3．2 结构尺寸设计流程

3．2．1 ANSYS优化设计模块介绍

3．2．2 机构V型梁尺寸优化流程

3．2．3 机构尺寸设计流程

3．3 结构尺寸优化设计

3．3．1 设计1双柔性直线梁结构

3．3．2 设计二——端部具有侧梁支撑的微机构

3．3．3 设计3计内外嵌套组合的三稳态结构

3．4 微机构的制作和实验

3．4．1 微机构的制作

3．4．2 微机构阈值测量

3．5 小结

4 基于局部变截面的低阈值双稳态机构设计与分析

4．1 概述

4．2 双稳态构型优化设计模型

4．2．1 几何非线性大变形分析

4．2．2 双稳态阈值优化设计

4．2．3 数值模拟

4．3 仿真结果与讨论

4．3．1 第一轮优化结果

4．3．2 第二轮优化结果

4．3．3 截面刚性程度对双稳态特性的影响

4．4 小结

5 一种板壳类多稳态变体机构设计方法

5．1 概述

5．2 板壳解析模型

5．3 多稳态机构设计

5．3．1 多稳态机构设计方法

5．3．2 剖面形状对多稳态机构的影响

5．3．3 刚性强化对多稳态机构的影响

5．4 小结

结论与展望

本文主要结论

前景展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢