【摘要】：柔順機構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡單、免于摩擦磨損、便于能量儲存轉(zhuǎn)化和適應(yīng)復(fù)雜惡劣環(huán)境等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于精密工程、仿生機械、生物醫(yī)療和航空航天等科技前沿領(lǐng)域。新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θ犴槞C構(gòu)的工作空間和多種性能指標提出了新的要求。傳統(tǒng)的直梁結(jié)構(gòu)分析簡單,但幾何參數(shù)少、調(diào)整范圍有限而且在大變形情況下容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,加速了結(jié)構(gòu)的疲勞失效。曲梁柔順單元可以有效避免以上幾種情況而被廣泛的引入研究。常規(guī)的有限元法對于受曲率影響的任意曲梁難以直接分析,本文基于等幾何方法完成對一般任意曲梁的靜力學、動力學和幾何非線性研究。根據(jù)非均勻有理B樣條構(gòu)型原理,完成一般平面曲梁模型的幾何構(gòu)建�；诘葞缀畏椒�,結(jié)合最小勢能原理,完成了一般任意曲梁模型的靜力學和動力學分析,給出了用NURBS基函數(shù)描述下的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的顯示積分表達式,采用高斯積分法將整個求解過程利用MATLAB編程實現(xiàn)。結(jié)合實例驗證了程序求解過程的準確性,同時揭示出曲梁模型的靜力學位移和動力學固有頻率等性能指標與控制點權(quán)因子的關(guān)系。在基于等幾何方法求得一般任意曲梁的線性剛度矩陣和質(zhì)量矩陣以后,進一步對其進行了大變形非線性情況下的分析。首先給出了一般幾何非線性的描述過程,推導(dǎo)了大變形切線剛度矩陣的一般表達式,然后結(jié)合任意曲梁模型的力學方程,采用等幾何方法推導(dǎo)出平面任意曲梁幾何非線性情況下的切線剛度矩陣。介紹了幾種常見的非線性方程組的一般數(shù)值解法,并采用載荷增量法結(jié)合曲實例驗證了所求切線剛度矩陣的準確性。根據(jù)自由度與約束拓撲這一構(gòu)型綜合方法,結(jié)合NURBS樣條構(gòu)型原理,設(shè)計了一款三自由度平面曲梁柔順機構(gòu),利用本文所編的等幾何MATLAB程序?qū)φw結(jié)構(gòu)進行力學分析,確定機構(gòu)的各項性能指標,同時根據(jù)運動學等效原理,在不改變梁單元彈性模量和橫截面積等參數(shù)的前提下,通過調(diào)節(jié)控制點和權(quán)因子得到了幾組具有相同自由度但具有不同形狀和性能指標的柔順機構(gòu),為后續(xù)任意曲梁柔順機構(gòu)的設(shè)計、分析與優(yōu)化提供了另一種思路。
【圖文】：

針對柔順單元的設(shè)計，為了適應(yīng)不同的工作要求，國內(nèi)外科研工作者設(shè)計出了各種逡逑方案。其中主要包括以下三類［７］，懸臂梁式柔順單元，交叉桿式柔順單元以及裂筒式柔逡逑順單元。如圖１．１所示，懸臂梁式柔順單元結(jié)構(gòu)比較簡單，易于加工制造，是目前應(yīng)用逡逑最廣泛的柔順單元之一。該單元的轉(zhuǎn)動主要依靠自身的彈性變形來實現(xiàn)，，結(jié)構(gòu)剛度值與逡逑橫截面厚度有關(guān)。不過這種單元轉(zhuǎn)角小，不能適合大撓度和大變形的情況。交叉桿式柔逡逑順單元ｍ適合大變形的情況，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)動軸線不確定，且轉(zhuǎn)角越大，偏差越大。逡逑裂筒式柔順單元［９］以開槽薄壁筒作為單元的轉(zhuǎn)軸，通過不同構(gòu)件與薄壁筒的剛性連接實逡逑現(xiàn)轉(zhuǎn)動的功能。采用此種方案可以在實現(xiàn)大角度變形的同時保證其高精度。但是相對前逡逑兩種柔順單元而己，此類單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配困難，不易實現(xiàn)微型化等使其也受到了一逡逑定的局限性。逡逑懸臂梁式柔順單元邐懸臂梁式柔順單元邐懸臂梁式柔順單元逡逑交叉桿式柔順單元邐裂筒式柔順單元

組合所得到的柔順機構(gòu)結(jié)構(gòu)臃腫，且過多的組合環(huán)節(jié)導(dǎo)致固有頻率等性能指標降低；４、逡逑柔順機構(gòu)幾何參數(shù)與各性能指標的直接對應(yīng)關(guān)系難以建立。鑒于此，曲梁柔順單元因其逡逑造型靈活，受力均勻等特性開始逐漸應(yīng)用到柔順機構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用中來。如圖１．２所示，逡逑Ｖａｓｓｕｒａ教授采用圓弧曲梁柔順單元設(shè)計的串聯(lián)曲梁柔順機械手指。整體結(jié)構(gòu)可以采逡逑用一休式制造、加工方便、結(jié)構(gòu)緊湊且連接處無間隙，能夠更好的完成精密操作。逡逑圖１．２曲梁柔順機械手指逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｆｉｎｇｅｒｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｃｕｒｖｅｄ邋ｂｅａｍ逡逑曲梁柔順機構(gòu)可為大變形柔順機構(gòu)的設(shè)計開辟一條新的思路。以柔順軸承為例，傳逡逑統(tǒng)的直梁柔順單元構(gòu)成的柔順軸承，在大行程的條件下，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，加逡逑速了結(jié)構(gòu)的疲勞失效，而采用曲梁柔順單元可以很好的避免這一現(xiàn)象。逡逑如圖１．３所示的新型大行程柔順軸承，由趙山彬等Ｍ利用曲梁柔順單元設(shè)計而成，逡逑當軸承外圈順時針轉(zhuǎn)動時，１、３、５為主運動單元；當軸承外圈逆時針轉(zhuǎn)動時，２、４、６逡逑為主運動單元。采用此設(shè)計方案，其單向轉(zhuǎn)動角度約為７．４°，總行程約為１５°。與直梁逡逑柔順單元的設(shè)計相比
【學位授予單位】：大連交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH112

【參考文獻】

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本文編號：2687442