基于平面连杆构型的多稳态柔顺机构综合与设计方法

摘要

柔顺多稳态机构在其运动范围内具有多个稳定平衡位置，而且不需要持续输入能量来维持这些稳定平衡位置，这种独特的性能使其在开关、阀门、继电器、空间可展开机构等领域获得诸多应用。由于柔顺多稳态机构的运动伴随着复杂的大挠度非线性变形过程，使得这类机构的综合设计难度很大。本文在国家自然科学基金的支持下，开展对柔顺多稳态机构综合与设计方法的研究，完成的主要工作如下所述：
　　以单个柔顺双稳机构和多级连杆滑块机构为模块，给出了一种直线形部分柔顺多稳态机构的通用构型。通过单独或混合使用两种综合方法，利用柔顺双稳态机构的双稳态特性、外特性和反外特性，可以得到具有任意稳态数的柔顺机构。推导了滑块的运动范围和各稳定平衡位置之间的距离计算公式，给出了部分柔顺稳态机构的驱动力和势能计算公式，并通过多个实例展示了这种通用构型设计出的部分柔顺多稳态机构。
　　在上述通用构型的基础上，用具有初始倾斜的柔顺固定-导向机构取代连杆滑块机构。建立了柔顺固定-导向机构的伪刚体模型，在综合考虑应力和屈曲问题等设计约束条件下，给出了柔顺固定-导向机构的柔顺片段长度、初始倾斜角、刚度和厚度等参数年的确定方法。四个设计实例和样机演示了该设计方法的有效性。
　　以两个柔顺双稳态机构和一个柔顺固定-导向片段为模块，利用两个柔顺双稳态机构的临界跳转力或稳态距离的差异，给出了两个全柔顺六稳态机构和一种全柔顺八稳态机构的构型。分析了具有不同临界跳转力和不同稳态距离的两个柔顺双稳态构构力-位移特性的叠加，以及多稳态机构中整体弹性势能的等高线绘制方法，以此分析机构在不同稳态之间的跳转。给出三个设计实例，并用非线性有限元分析及样机验证了三种构型的可行性。
　　基于柔顺五杆机构伪刚体模型建立了柔顺五杆机构的平衡方程和输入力矩表达式，得到了单输入柔顺五杆机构的三个运动系数，并给出了用运动系数确定柔顺五杆机构运动位置的数值方法。以含有两个柔性铰链的柔顺五杆机构为例，分析了输入力矩表达式的零点分布情况，得到了存在三个稳定平衡位置和三个非稳定平衡位置的条件，进而指导柔顺五杆三稳态机构的设计。三个设计实例验证了单输入柔顺五杆机构平衡位置的正确性。
　　给出了一种基于无约束优化算法和一种基于粒子群优化算法的柔顺五杆三稳态机构设计方法，并用实例和样机验证了两种优化设计方法的有效性。
　　总而言之，本论文提出了几种基于平面连杆机构的多稳态柔顺机构新构型，并给出了行之有效的设计方法，为本领域的研究人员提供了有价值的参考。

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缩略语对照表

第一章 绪 论

1.1 柔顺机构概述

1 .2 柔顺多稳态机构的研究现状

1.3 本文的主要工作

第二章基于单个双稳态机构的部分柔顺多稳态机构综合方法

2.1:段式柔顺双稳态机构

2.2 部分柔顺多稳态机构的综合方法

2 .3 部分柔顺多稳态机构的力-位移特性

2 .4 设计实例

2 .5 本章小结

第三章基于单个双稳态机构的全柔顺多稳态机构设计方法

3 .1 全柔顺多稳态机构的通用构型

3.2 全柔顺多稳态机构的设计方法

3 .3 全柔顺多稳态机构的力-位移特性和势能

3 .4 设计实例

3 .5 本章小结

第四章基于两个双稳态机构的全柔顺多稳态机构

4 .1 全柔顺多稳态机构构型

4.2 全柔顺多稳态机构的设计方法

4 .3 设计实例

4.4 本章小结

第五章柔顺五杆三稳态机构的设计方法

5 .1 柔顺五杆机构的伪刚体模型和自由度

5 .2 柔顺五杆机构的运动系数

5 .3 柔顺五杆三稳态机构的设计方法

5 .4 设计实例

5 .5 本章小结

第六章柔顺五杆三稳态机构的尺度优化方法

6 .1 确定柔顺五杆机构位置的优化方法

6 .2 柔顺五杆三稳态机构的无约束优化设计方法

6.3 柔顺五杆三稳态机构的粒子群优化设计方法

6 .4 本章小结

第七章 总结与展望

7 .1 论文主要工作

7 .2 研究工作展望

参考文献

致谢

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