本文選題：柔順機(jī)構(gòu)　切入點(diǎn)：多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)　出處：《西安電子科技大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)具有多個(gè)穩(wěn)定平衡位置,而且不需要持續(xù)輸入能量來維持這些穩(wěn)定平衡位置,這種獨(dú)特的性能使其在開關(guān)、閥門、繼電器、空間可展開機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域獲得諸多應(yīng)用。由于柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)伴隨著復(fù)雜的大撓度非線性變形過程,使得這類機(jī)構(gòu)的綜合與設(shè)計(jì)難度很大。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下,開展對(duì)柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)綜合與設(shè)計(jì)方法的研究,完成的主要工作如下所述：以單個(gè)柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)和多級(jí)連桿滑塊機(jī)構(gòu)為模塊,給出了一種直線型部分柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的通用構(gòu)型。通過單獨(dú)或混合使用兩種綜合方法,利用柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性、外特性和反外特性,可以得到具有任意穩(wěn)態(tài)數(shù)的柔順機(jī)構(gòu)。推導(dǎo)了滑塊的運(yùn)動(dòng)范圍和各穩(wěn)定平衡位置之間的距離計(jì)算公式,給出了部分柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和勢(shì)能計(jì)算公式,并通過多個(gè)實(shí)例展示了這種通用構(gòu)型設(shè)計(jì)出的部分柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。在上述通用構(gòu)型的基礎(chǔ)上,用具有初始傾斜角的柔順固定－導(dǎo)向機(jī)構(gòu)取代連桿滑塊機(jī)構(gòu),獲得了全柔順的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。建立了柔順固定-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的偽剛體模型,在綜合考慮應(yīng)力和屈曲問題等設(shè)計(jì)約束條件下,給出了柔順固定-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的柔順片段長(zhǎng)度、初始傾斜角、剛度和厚度等參數(shù)的確定方法。四個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例和樣機(jī)演示了該設(shè)計(jì)方法的有效性。以兩個(gè)柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)和一個(gè)柔順固定-導(dǎo)向片段為模塊,利用兩個(gè)柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的臨界跳轉(zhuǎn)力或穩(wěn)態(tài)距離的差異,給出了兩種全柔順六穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)和一種全柔順八穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型。分析了具有不同臨界跳轉(zhuǎn)力和不同穩(wěn)態(tài)距離的兩個(gè)柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)力-位移特性的疊加,以及多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)中整體彈性勢(shì)能的等高線繪制方法,以此分析機(jī)構(gòu)在不同穩(wěn)態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)。給出三個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例,并用非線性有限元分析及樣機(jī)驗(yàn)證了三種構(gòu)型的可行性�；谌犴樜鍡U機(jī)構(gòu)偽剛體模型建立了柔順五桿機(jī)構(gòu)的靜平衡方程和輸入力矩表達(dá)式,得到了單輸入柔順五桿機(jī)構(gòu)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)系數(shù),并給出了用運(yùn)動(dòng)系數(shù)確定柔順五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置的數(shù)值方法。以含有兩個(gè)柔性鉸鏈的柔順五桿機(jī)構(gòu)為例,分析了輸入力矩表達(dá)式的零點(diǎn)分布情況,得到了存在三個(gè)穩(wěn)定平衡位置和三個(gè)非穩(wěn)定平衡位置的條件,進(jìn)而指導(dǎo)柔順五桿三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。三個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了單輸入柔順五桿機(jī)構(gòu)平衡位置的正確性。給出了一種基于無約束優(yōu)化算法和一種基于粒子群優(yōu)化算法的柔順五桿三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并用實(shí)例和樣機(jī)驗(yàn)證了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性�？偠灾�,本論文提出了幾種基于平面連桿機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)柔順機(jī)構(gòu)新構(gòu)型,并給出了行之有效的設(shè)計(jì)方法,為本領(lǐng)域的研究人員提供了有價(jià)值的參考。
[Abstract]:Compliant multistable mechanisms have multiple stable equilibrium positions in their range of motion and do not require sustained input of energy to maintain these stable equilibrium positions. This unique performance makes them available on switches, valves, relays, Spatial deployable mechanisms have been applied in many fields. Because the motion of compliant multistable mechanism is accompanied by complex nonlinear deformation process of large deflection, It is very difficult to synthesize and design this kind of mechanism. With the support of National Natural Science Foundation, this paper studies the synthesis and design method of compliant multi-steady mechanism. The main work accomplished is as follows: taking a single compliant bistable mechanism and a multistage linkage slider mechanism as the modules, a general configuration of a linear partially compliant multistable mechanism is presented. By using the bistable, external and anti-external characteristics of the compliant bistable mechanism, a compliant mechanism with arbitrary steady-state number can be obtained. The formulas for calculating the motion range of the slider and the distance between the stable equilibrium positions are derived. In this paper, the driving force and potential energy calculation formula of partially compliant multistable mechanism are given, and the partial compliance multistable mechanism designed by this universal configuration is demonstrated by several examples. A fully compliant multi-steady mechanism is obtained by replacing the slider mechanism with a compliant fixed-guide mechanism with initial inclination angle. The pseudo-rigid body model of the compliance fixed-guide mechanism is established. Under the conditions of design constraints such as stress and buckling, the length of compliance segment and the initial inclination angle of the compliant fixed-guide mechanism are given. Methods for determining stiffness and thickness parameters. Four design examples and prototypes demonstrate the effectiveness of the design method. Two compliant bistable mechanisms and a compliant fixed-guide segment are used as modules. Using the difference of critical jump force or steady-state distance between two compliant bistable mechanisms, The configurations of two fully compliant six-stable mechanisms and one fully compliant eight-stable mechanism are given. The superposition of the force-displacement characteristics of two compliant bistable mechanisms with different critical jumping forces and different steady-state distances is analyzed. And the contour drawing method of the global elastic potential energy in the multi-steady state mechanism is presented to analyze the jump of the mechanism between different steady-state states. Three design examples are given. The feasibility of the three configurations is verified by the nonlinear finite element analysis and the prototype. Based on the pseudo-rigid body model of the compliant five-bar mechanism, the static equilibrium equation and the input torque expression of the compliant five-bar mechanism are established. Three motion coefficients of a single input compliant five-bar mechanism are obtained, and a numerical method for determining the kinematic position of a compliant five-bar mechanism is given. The flexible five-bar mechanism with two flexure hinges is taken as an example. The distribution of zero point in the expression of input torque is analyzed, and the conditions for the existence of three stable equilibrium positions and three unstable equilibrium positions are obtained. Three design examples are given to verify the correctness of the equilibrium position of the single-input compliant five-bar mechanism. An unconstrained optimization algorithm and a particle swarm optimization algorithm are presented. The design method of compliant five-bar three-stable mechanism based on. The effectiveness of the two optimal design methods is verified by an example and a prototype. In a word, several new configurations of multi-steady-state compliant mechanism based on planar linkage mechanism are proposed, and some effective design methods are given. It provides valuable reference for researchers in this field.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH112

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本文編號(hào)：1655542