柔顺机构的2R伪刚体模型研究

摘要

柔顺机构(CompliantMechanisms)是一种利用机构构件自身的柔性变形来完成运动和力的传递及转换的新型机构。同传统刚性机构相比,柔顺机构在降低成本和提高性能方面有许多优点,它能减少零件数目,缩短装配时间,简化制造过程,降低了机构的摩擦、磨损和噪声。因此,柔顺机构引起了学者们的广泛兴趣,成为世界范围内新兴的研究领域。
　　 在柔顺机构的研究过程中,柔顺杆件的大变形所带来的几何非线性导致柔顺机构的分析十分复杂,因此,建立适当的模型是研究柔顺机构的基础。经典的伪刚体模型(Pseudo-Rigid-BodyModel,简称PRBM)能较准确地模拟柔顺杆的末端轨迹,但不能模拟柔顺杆的末端转角。本文针对现有伪刚体模型的不足,提出了两自由度伪刚体模型,在模型的建模、参数优化、特性分析等方面进行了研究,主要包括以下内容:
　　 在伪刚体模型建模方面,经典的伪刚体模型是由两根刚性杆和一个扭簧组成的单自由度系统,简称1R伪刚体模型。本文提出了由三根刚性杆和两个扭簧组成的两自由度伪刚体模型,即2R伪刚体模型,推导出其运动学方程。通过与1R和3R模型的理论分析与数值比较,反映了2R模型在模拟柔顺杆件末端特征方面的优越性。
　　 在模型参数优化方面,提出了能同时模拟柔顺杆件末端轨迹和末端转角的参数化近似方法,以此得到了两种载荷形式(力和力矩)下的2R伪刚体模型的特征半径系数,然后通过线性回归的方法得到了模型的刚度系数。针对同时受力和力矩的模型,采用限制刚度系数的方法得到了复合载荷形式的2R伪刚体模型参数。
　　 在模型特性分析方面,推导了三种不同载荷作用下柔顺杆和不同自由度伪刚体模型的应变能表达式,以此为特性指标对不同自由度伪刚体模型储存应变能的能力进行了对比分析,得到了一些规律,对柔顺机构的动力学研究打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 文献综述

1.2.1 柔顺机构结构学及运动学分析

1.2.2 柔顺机构的动力学分析

1.2.3 柔顺机构的设计

1.3 本文的研究内容

第2章 受力矩载荷柔顺杆的2R伪刚体模型

2.1 引言

2.2 经典1R伪刚体模型

2.2.1 模型构成

2.2.2 参数化近似方法及存在的问题

2.3 受力矩载荷的柔顺杆

2.4 2R伪刚体模型

2.5 末端转角的参数化近似方法

2.6 刚度系数的确定

2.7 末端轨迹分析

2.8 算例

2.9 本章小结

第3章 受力载荷柔顺杆的2R伪刚体模型

3.1 引言

3.2 受力载荷柔顺杆

3.3 2R伪刚体模型

3.4 垂直力载荷情况下的特征半径系数

3.5 垂直力载荷情况下的刚度系数

3.6 不同力载荷作用角时的2R伪刚体模型参数

3.7 垂直力载荷情况下的末端轨迹

3.8 本章小结

第4章 受复合载荷柔顺杆的2R伪刚体模型

4.1 引言

4.2 受复合载荷形式的柔顺杆

4.3 同时受力和力矩载荷的2R伪刚体模型

4.4 特征半径系数和刚度系数

4.5 柔顺四杆机构分析

4.6 算例

4.7 本章小结

第5章 伪刚体模型的应变能

5.1 引言

5.2 柔顺杆的应变能

5.3 伪刚体模型的应变能

5.4 应变能的对比

5.4.1 末端受力矩载荷的情况

5.4.2 末端受垂直力载荷的情况

5.4.3 末端受复合载荷的情况

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢