平面柔顺四杆机构动力学特性分析与优化

【摘要】柔顺机构的运动和功能是依靠机构中柔性构件的弹性变形来实现的。柔顺机构具有无运动副或少运动副、无摩擦等方面的优点,这些优点使其与传统机构相比在性能上有很大改进,柔性构件对传统机构的性能的改善,使柔顺机构近年来引起很多学者的研究和关注。柔顺机构先期的研究的成果主要是静力学分析和结构设计,近几年对柔顺机构的拓扑优化设计也逐渐成为研究热点,但对动力学特性的分析以及由于受到动态应力而引起的疲劳损伤以及由此引起的可靠性问题的研究则不足。虽然不少研究人员对柔顺机构进行了动力学分析,但大部分是针对柔顺铰链的分析,对柔顺杆以及柔顺机构的整体分析略有不足,由于柔顺机构的自身运动特点使机构在应用中是整体存在的,因此对柔顺机构的整体运动特点的研究具有重要的理论意义和应用价值。本文以平面柔顺机构的柔顺杆为研究对象,研究包括动力学模型的建立、特性分析、优化设计以及可靠性分析等内容在内的柔顺杆的动力学特性问题。首先,以柔顺杆为主要特征建立柔顺机构动力学模型。首先充分考虑杆件的大变形特性,以柔顺悬臂梁的伪刚体模型为基础,推导出部分含有柔顺杆的机构的动力学特性,再以此为基础推导出任意含有柔性杆件的柔顺四杆机构的动力学模型。其次,分析柔顺机构的动力学特性。分析了柔顺机构的固有频率、动态应力及应变,然后通过对机构模态的分析,说明在振动的某一阶模态后期,不可避免地会出现的杆件的扭曲,杆件的扭曲则会对机构产生影响,也是影响机构的性能的提高以及改进的不利的因素。动力学分析为机构的优化提供了目标。然后,对柔顺机构进行优化设计。先以柔顺机构等效应力最大、总质量最小为优化目标,优化设计出了以柔顺杆为主要特征的柔顺机构；再通过说明各种不同材料的特性以及各自的不同适用范围,说明柔顺机构的优化除了可以采用改变参数,也可以通过改变材料以达到优化的目的。最后,对机构进行可靠性分析。通过对可靠性的意义及其特征量的阐述,说明对机构进行可靠性分析的必要性。基于迈纳理论,预测杆件的疲劳寿命。根据疲劳累积损伤理论,对构件进行疲劳寿命分析,通过分析构件的可靠度,得出杆件应力集中的位置以及寿命不足的位置。
【作者】李姣；
【导师】李瑞琴；
【作者基本信息】中北大学，机械设计及理论，2013，硕士
【关键词】柔顺机构；柔顺杆；动力学；优化设计；可靠性；

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