發(fā)布時間：2020-08-15 20:09

【摘要】：柔順機(jī)構(gòu)是一類利用材料的彈性變形傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動、力和能量的新型機(jī)構(gòu)。經(jīng)過30年的發(fā)展,柔順機(jī)構(gòu)已成為現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)的一個重要分支。多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)是柔順機(jī)構(gòu)中一類具有特殊功能的機(jī)構(gòu),它們除了具有柔順機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)外,還能夠在多個位置上實(shí)現(xiàn)位形自保持。近年來,多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)在機(jī)器人跳躍和驅(qū)動、振動能量收集、可重構(gòu)超材料、碰撞閾值傳感等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,表現(xiàn)出了非凡的應(yīng)用價值。通常多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)需要利用柔順片段的應(yīng)力剛化、曲率非線性等非線性因素,這使得對它們的精確建模變得異常困難。目前常用的橢圓積分解,偽剛體模型法、有限元差分法都不能很好地解決多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)建模困難的問題,特別是帶有拉彎片段的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。拉彎片段因其在雙穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)過程中一直處于受拉狀態(tài),從而避免了屈曲導(dǎo)致的非對稱跳轉(zhuǎn)和不可預(yù)測的雙穩(wěn)態(tài)特性。因此,本論文主要研究了含有拉彎片段的全柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的精確建模。本論文通過綜合運(yùn)用梁約束模型和鏈?zhǔn)搅杭s束模型,為雙拉彎型雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)建立了兩個運(yùn)動靜力學(xué)模型,通過與有限元模型的分析結(jié)果進(jìn)行對比得知,模型Ⅰ和模型Ⅱ均可較好地預(yù)測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動靜力學(xué)特性,而相對復(fù)雜的模型Ⅱ在預(yù)測負(fù)剛度區(qū)域的載荷-位移曲線更為精確。為擴(kuò)展帶有拉彎片段的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計空間,提出了一種全新的拉壓組合型雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu),分別采用梁約束模型和鏈?zhǔn)搅杭s束模型為其建立了兩種運(yùn)動靜力學(xué)模型,結(jié)果表明鏈?zhǔn)搅杭s束模型可大大提高建模精度,3D打印的樣機(jī)成功驗(yàn)證了這種新型機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性。在上述運(yùn)動靜力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,基于蒙特卡羅法為拉壓組合式雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)給出了一種使用便捷的敏度分析和不確定性分析方法,準(zhǔn)確預(yù)測了該機(jī)構(gòu)受各個隨機(jī)因素影響的性能變化,為機(jī)構(gòu)的魯棒設(shè)計提供了有價值的參考。最后,論文提出了一種全新的全柔順三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)構(gòu)型,在推導(dǎo)其運(yùn)動靜力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計了兩款三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu),運(yùn)動靜力學(xué)模型準(zhǔn)確地預(yù)測了機(jī)構(gòu)的三穩(wěn)態(tài)特性,預(yù)測結(jié)果得到有限元分析結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證。3D打印了其中一款設(shè)計的樣機(jī),樣機(jī)成功地展示了其三穩(wěn)態(tài)特性。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH112
【圖文】：

(a) (b)(c) (d)圖1.2 柔順機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用：(a)無氣輪胎 (b)自適應(yīng)機(jī)械手 (c)雨刮器背架 (d)振蕩器1.2 柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)是一類特殊功能的柔順機(jī)構(gòu)，它們除了具有柔順機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)外，還能夠在多個位置上實(shí)現(xiàn)位形自保持。許多裝置得益于多穩(wěn)態(tài)，如各種開關(guān)、蓋子等。多穩(wěn)態(tài)特性可以通過圖 1.3 所示的“山上小球”來說明[1]。在 A 點(diǎn)附近，由于小球的重力勢能處處相等，它會取得自然的平衡，如果有小的擾動，它會離開這個位置并在附

即使有小擾動，小球仍會返回谷底，而谷底對應(yīng)著，我們稱小球處于“穩(wěn)定平衡狀態(tài)”。圖1.3 “山上小球”模型與穩(wěn)定性對于柔順機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程總是伴隨著自身構(gòu)件的彈性變形、彈性勢能的存儲與釋放。類比于“山上小球”的重力勢能，若在柔順機(jī)構(gòu)的運(yùn)動空間中存在多個位置使得機(jī)構(gòu)內(nèi)存儲的彈性勢能取得極小值，機(jī)構(gòu)便具有多穩(wěn)態(tài)特性，該機(jī)構(gòu)就稱為柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。如果機(jī)構(gòu)在運(yùn)動空間中有兩個彈性勢能極小值位置，該機(jī)構(gòu)就稱為雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，如果有三個彈性勢能極小值位置，就稱為三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，以此類推。1.3 有關(guān)柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的研究1.3.1 雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)目前有關(guān)柔順多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的研究成果主要集中在雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)常常借助細(xì)長梁的屈曲特性實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)，例如：S nmez和Tutum[4]研究了鉸接-鉸接柔順梁的雙穩(wěn)態(tài)特性（圖 1.4(a)）；Zhao 等[5]研究了固定-導(dǎo)向柔順梁的雙穩(wěn)態(tài)特性（圖 1.4(b)）；Parkinson 等[6]針對固定-導(dǎo)向柔順梁進(jìn)一步研究了圖 1.4(c)所示的三段式固定-導(dǎo)向柔順梁的雙穩(wěn)態(tài)特性，由于引入了剛性段，該機(jī)構(gòu)具有更多設(shè)計參數(shù)

(d)[7]圖1.4 數(shù)種采用屈曲梁的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)：(a) 鉸接-鉸接屈曲梁 (b) 固定-導(dǎo)向屈曲梁(c) 三段式屈曲梁 (d) 初始彎曲屈曲梁屈曲后梁的側(cè)向剛度銳減，再加上制造的誤差和材料本身的缺陷造成的多段柔順梁不同步屈曲，機(jī)構(gòu)在跳轉(zhuǎn)過程中常常會出現(xiàn)側(cè)向（非功能方向）失衡，致使雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)發(fā)生非對稱跳轉(zhuǎn)以及不可預(yù)測的雙穩(wěn)態(tài)特性，這在一定程度上限制了雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。針對這一問題，Masters 和 Howell[8]基于彈簧滑塊機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性綜合出了自收縮式雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，其內(nèi)部的柔順片段所承受的軸向力為拉力，避免了屈曲失穩(wěn)的發(fā)生，因此可以完全避免非對稱跳轉(zhuǎn)問題；此外，拉力會在變形的柔順片段上產(chǎn)生作用反向的彎矩，使得片段的末端的變形減小，所以，自收縮式雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的另一個優(yōu)勢是兩個穩(wěn)態(tài)之間距離可以設(shè)計得更小

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本文編號：2794577