本文關(guān)鍵詞：考慮溫度效應(yīng)的精密微動(dòng)平臺(tái)力學(xué)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：精密微動(dòng)平臺(tái)廣泛應(yīng)用于生物工程、醫(yī)療科學(xué)、微機(jī)械制造、航空航天等前沿領(lǐng)域。微動(dòng)平臺(tái)往往工作于溫度變化的環(huán)境中,溫度變化會(huì)使其產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形,降低了平臺(tái)的精度,所以,考慮溫度效應(yīng)的精密微動(dòng)平臺(tái)的力學(xué)性能研究具有重要的理論和實(shí)際意義。本文考慮了溫度效應(yīng),采用有限元方法對(duì)精密微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行建模、性能分析和性能綜合,主要工作如下:(1)為了減小溫度效應(yīng)對(duì)柔性鉸鏈的影響,比較分析直梁、直圓、橢圓和拋物線型4種典型柔性鉸鏈的溫度效應(yīng),以便合理選取柔性鉸鏈設(shè)計(jì)柔順機(jī)構(gòu)。將柔性鉸鏈劃分為2個(gè)變截面梁?jiǎn)卧?計(jì)入溫度變化產(chǎn)生的初應(yīng)變,采用最小勢(shì)能原理推導(dǎo)出4種柔性鉸鏈的熱載荷向量和剛度矩陣,采用拉格郎日方程得出其質(zhì)量矩陣,得出鉸鏈的力學(xué)模型�；谌嵝糟q鏈的有限元模型,并以柔順?biāo)臈U機(jī)構(gòu)為算例,分別對(duì)基于4種柔性鉸鏈的機(jī)構(gòu)的精度、熱應(yīng)力和熱振動(dòng)進(jìn)行比較分析,分析結(jié)果表明:直圓型鉸鏈的熱誤差最大,拋物線型次之,橢圓型和直梁型最小;所受熱應(yīng)力由大到小的順序?yàn)橹眻A、橢圓、拋物線和直梁型鉸鏈;直梁型柔性鉸鏈的熱振動(dòng)諧振頻率最小,直圓型和橢圓型次之,拋物線型最大,說(shuō)明直梁型柔性鉸鏈更容易受動(dòng)態(tài)溫度變化影響,但拋物線型在諧振頻率處的幅值最大,拋物線型鉸鏈熱振動(dòng)更大。(2)為了分析溫度變化對(duì)橋式微動(dòng)平臺(tái)的力學(xué)性能的影響,采用有限元方法建立其力學(xué)模型。為了驗(yàn)證力學(xué)模型的精確性,與ANSYS分析結(jié)果進(jìn)行比較分析,兩者的結(jié)果差值在3.3%~11.3%范圍之內(nèi),說(shuō)明該力學(xué)模型與軟件的分析結(jié)果一致,能精確反映其力學(xué)性能,為平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種有效的模型�；谠撃Ｐ蛯�(duì)橋式平臺(tái)進(jìn)行溫度效應(yīng)對(duì)其性能影響分析,分析結(jié)果表明:溫度變化對(duì)平臺(tái)的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)精度有較大影響;可通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)減小熱誤差;在動(dòng)態(tài)熱載荷作用下會(huì)產(chǎn)生熱振動(dòng);溫度變化會(huì)在平臺(tái)中產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力。所以,不能忽略溫度效應(yīng)對(duì)平臺(tái)的影響,需要基于所建立的力學(xué)模型和性能分析結(jié)果對(duì)平臺(tái)的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以減小環(huán)境溫度變化對(duì)精密微動(dòng)平臺(tái)的影響。(3)以橋式微動(dòng)平臺(tái)為研究對(duì)象,分別從優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)角度和構(gòu)型設(shè)計(jì)角度減小平臺(tái)的溫度效應(yīng)。首先從優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)角度減小平臺(tái)的溫度效應(yīng),選擇對(duì)熱誤差敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,以熱誤差和最大熱應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo),固有頻率為約束建立優(yōu)化模型,通過(guò)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其操作精度,同時(shí)減小平臺(tái)的熱應(yīng)力。分析結(jié)果表明,該優(yōu)化模型滿足約束條件,同時(shí)使平臺(tái)的熱誤差減小了44.35%,證明了優(yōu)化模型的有效性。然后從構(gòu)型設(shè)計(jì)角度減小平臺(tái)的溫度效應(yīng),根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性對(duì)溫度效應(yīng)相互抵消作用,提出對(duì)稱式、互補(bǔ)式橋式機(jī)構(gòu)以減小溫度效應(yīng)。分析結(jié)果表明,在相同溫度變化下,互補(bǔ)式、對(duì)稱式平臺(tái)均能降低熱誤差,且對(duì)稱式橋式機(jī)構(gòu)的熱誤差較互補(bǔ)式更小。(4)為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)健設(shè)計(jì),以1維微動(dòng)平臺(tái)為研究對(duì)象,將溫度變化和熱膨脹系數(shù)視為噪聲因素,采用田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法分別從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),尋找使得平臺(tái)性能波動(dòng)達(dá)到最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)的水平組合,以減小溫度效應(yīng)對(duì)平臺(tái)的影響。靜態(tài)穩(wěn)健設(shè)計(jì)采用有限元方法建立力學(xué)模型,采用正交表設(shè)計(jì)和主效應(yīng)分析,確定最佳控制因子水平組合。結(jié)果分析表明,優(yōu)化后熱誤差的均值降低了16.03%,方差降低了12.07%,信噪比提高了1.1%。平臺(tái)在進(jìn)行微操作過(guò)程中,希望平臺(tái)的輸出位移隨著輸入位移的變化而變化,所以需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)。采用動(dòng)態(tài)信噪比反映在溫度變化和熱膨脹系數(shù)波動(dòng)的作用下輸出位移的波動(dòng),采用靈敏度表征輸入位移和輸出位移之間的敏感程度。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和主效應(yīng)分析確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。在相同噪聲因素的影響下,比較分析優(yōu)化前與優(yōu)化后的輸出位移的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果表明,動(dòng)態(tài)特性值的信噪比和靈敏度均變大,即優(yōu)化后輸出位移的均值變大,標(biāo)準(zhǔn)差變小,說(shuō)明設(shè)計(jì)思路的可行性。
【關(guān)鍵詞】：溫度效應(yīng) 精密微動(dòng)平臺(tái) 力學(xué)性能 有限元方法 穩(wěn)健設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH112;TH703.8
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 精密微動(dòng)平臺(tái)的建模方法12-13
• 1.2.2 精密微動(dòng)平臺(tái)的性能分析13-17
• 1.2.3 精密微動(dòng)平臺(tái)的性能綜合17-18
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容18-20
• 第二章4種典型柔性鉸鏈的溫度效應(yīng)20-38
• 2.1 引言20
• 2.2 計(jì)入溫度效應(yīng)的柔性鉸鏈力學(xué)模型20-24
• 2.3 柔性鉸鏈的性能比較24-34
• 2.3.1 4種典型柔性鉸鏈的力學(xué)模型24-31
• 2.3.2 鉸鏈的精度比較分析31-33
• 2.3.3 鉸鏈的熱振動(dòng)比較分析33-34
• 2.4 算例分析34-37
• 2.4.1 穩(wěn)態(tài)熱誤差比較分析34-36
• 2.4.2 熱應(yīng)力比較分析36-37
• 2.4.3 頻率響應(yīng)比較分析37
• 2.5 結(jié)論37-38
• 第三章 考慮溫度效應(yīng)的橋式微動(dòng)平臺(tái)力學(xué)性能分析38-45
• 3.1 引言38
• 3.2 計(jì)入溫度效應(yīng)的精密微動(dòng)平臺(tái)力學(xué)模型38-39
• 3.3 橋式機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能分析39-44
• 3.3.1 有限元模型驗(yàn)證39-41
• 3.3.2 穩(wěn)態(tài)熱誤差分析41-42
• 3.3.3 動(dòng)態(tài)熱誤差分析42
• 3.3.4 熱應(yīng)力分析42-44
• 3.4 結(jié)論44-45
• 第四章 考慮溫度效應(yīng)的橋式微動(dòng)平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 從優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)角度減小平臺(tái)溫度效應(yīng)45-49
• 4.2.1 確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量45-47
• 4.2.2 建立優(yōu)化模型47-49
• 4.3 從構(gòu)型設(shè)計(jì)角度減小平臺(tái)溫度效應(yīng)49-55
• 4.3.1 2種橋式微動(dòng)平臺(tái)49-51
• 4.3.2 4種對(duì)稱式橋式微動(dòng)平臺(tái)51-53
• 4.3.3 2種互補(bǔ)式橋式微動(dòng)平臺(tái)53-55
• 4.4 結(jié)論55-57
• 第五章 考慮溫度效應(yīng)的精密微動(dòng)平臺(tái)穩(wěn)健設(shè)計(jì)57-78
• 5.1 引言57
• 5.2 1維精密微動(dòng)平臺(tái)57-58
• 5.3 基于穩(wěn)健思想的微動(dòng)平臺(tái)的參數(shù)設(shè)計(jì)58-59
• 5.4 靜態(tài)穩(wěn)健設(shè)計(jì)59-69
• 5.4.1 平臺(tái)模型59-60
• 5.4.2 確定可控因素和噪聲因素60-63
• 5.4.3 正交表設(shè)計(jì)63-66
• 5.4.4 主效應(yīng)分析66-67
• 5.4.5 最佳控制水平的選擇67-68
• 5.4.6 驗(yàn)證分析68-69
• 5.5 動(dòng)態(tài)穩(wěn)健設(shè)計(jì)69-77
• 5.5.1 選取因素與水平69-70
• 5.5.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)健設(shè)計(jì)正交表設(shè)計(jì)70-72
• 5.5.3 主效應(yīng)分析72-73
• 5.5.4 選擇最佳控制水平73-74
• 5.5.5 驗(yàn)證分析74-77
• 5.6 結(jié)論77-78
• 第六章 結(jié)論及展望78-80
• 6.1 主要工作及結(jié)論78-79
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)79
• 6.3 研究展望79-80
• 參考文獻(xiàn)80-84
• 致謝84-85
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果85-86

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

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4 王華;張憲民;;整體式空間3自由度精密定位平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2007年03期

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本文編號(hào)：366750