本文關(guān)鍵詞：超彈性柔性鉸鏈的建模和優(yōu)化設(shè)計

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【摘要】：柔性鉸鏈作為一體化的運動副,被廣泛應(yīng)用于微定位裝置、壓電致動器、位移放大裝置、天線指向等具有高精度需求的場合。相比于傳統(tǒng)的剛性運動副,其有效地避免機械裝配過程中存在間隙,以及使用過程中的摩擦、磨損等問題,因此極大地提高了機構(gòu)的精度和分辨率。然而,普通金屬制備的柔性鉸鏈由于材料變形能力的限制,使其在大范圍運動空間方面的應(yīng)用受到了制約。為了解決上述問題,本文采用形狀記憶合金制備柔性鉸鏈,利用材料的超彈性效應(yīng)實現(xiàn)關(guān)節(jié)的大范圍轉(zhuǎn)動,在此基礎(chǔ)上開展鉸鏈的建模及優(yōu)化等工作。為了描述形狀記憶合金的超彈性效應(yīng),本文基于Brinson本構(gòu)模型提出了一種簡化的、適合有限元計算的分段線性模型,并結(jié)合共旋坐標法建立超彈性柔性鉸鏈的靜力學模型,兼顧了由柔性鉸鏈大轉(zhuǎn)角、大應(yīng)變引起的幾何非線性與材料非線性。在此基礎(chǔ)上,提出了三項評價超彈性柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動性能的指標(轉(zhuǎn)動能力、轉(zhuǎn)動偏差及柔度),對比分析了不同截面(橢圓型、雙曲線型、拋物線型)柔性鉸鏈的性能,最終選擇性能更優(yōu)的橢圓型柔性鉸鏈作為優(yōu)化設(shè)計的目標。ABAQUS有限元分析表明共旋坐標法建立的模型誤差小于3%,從仿真角度驗證了理論模型的正確性。在建立超彈性柔性鉸鏈剛度模型的基礎(chǔ)上,采用拉格朗日方程建立柔性鉸鏈的動力學方程,并結(jié)合牛頓-拉夫遜迭代法與Newmark法求解該非線性方程。采用ABAQUS驗證了建立的動力學模型,并針對超彈性柔性鉸鏈的動態(tài)特性,從阻尼作用、超彈性變形以及共振響應(yīng)三個方面進行分析。結(jié)果表明,相比于普通金屬制備的柔性鉸鏈,超彈性柔性鉸鏈在不僅運動范圍更大,而且其自身在振動抑制與防止共振方面具有明顯的優(yōu)勢�；谝呀⒌撵o力學及動力學模型,對橢圓型超彈性柔性鉸鏈的尺寸參數(shù)開展多目標優(yōu)化,以轉(zhuǎn)動能力、轉(zhuǎn)動偏差、柔度和轉(zhuǎn)動方向上的一階固有頻率為優(yōu)化目標,建立多目標優(yōu)化的數(shù)學模型,采用受控的精英保留型遺傳算法對優(yōu)化問題進行求解,并根據(jù)設(shè)計目標,選出全局目標下的最優(yōu)解。最后采用鎳鈦合金加工了三種不同截面的超彈性柔性鉸鏈開展實驗驗證。基于MATLAB圖像處理的原理,采用CCD工業(yè)相機對柔性鉸鏈靜態(tài)變形進行測量。采用單點式激光多普勒測振儀與數(shù)字存儲示波器開展柔性鉸鏈的振動測試。實驗結(jié)果驗證了本文基于共旋坐標理論建立的力學模型的正確性。
【關(guān)鍵詞】：超彈性柔性鉸鏈 共旋坐標法 非線性建模 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH132.45
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 課題研究的背景及意義9-10
• 1.2 柔順機構(gòu)的研究現(xiàn)狀10-12
• 1.3 柔性鉸鏈的分類和研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3.1 柔性鉸鏈的分類12-13
• 1.3.2 柔性鉸鏈的研究現(xiàn)狀13-16
• 1.4 研究現(xiàn)狀分析16-17
• 1.5 課題來源及主要研究內(nèi)容17-19
• 第2章 超彈性柔性鉸鏈的靜力學建模與分析19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 超彈性效應(yīng)的本構(gòu)模型及簡化19-23
• 2.2.1 Brinson本構(gòu)模型19-21
• 2.2.2 分段線性本構(gòu)模型21-23
• 2.3 共旋坐標系下梁單元的變形模型23-28
• 2.3.1 共旋坐標理論23-25
• 2.3.2 歐拉-伯努利梁理論25-27
• 2.3.3 數(shù)值解法27-28
• 2.4 轉(zhuǎn)動性能的評價指標28-30
• 2.5 幾種柔性鉸鏈的性能比較30-32
• 2.6 靜態(tài)變形的仿真驗證32-33
• 2.7 本章小結(jié)33-34
• 第3章 超彈性柔性鉸鏈的動力學分析與優(yōu)化設(shè)計34-51
• 3.1 引言34
• 3.2 超彈性柔性鉸鏈的動力學模型34-39
• 3.2.1 慣性力和質(zhì)量矩陣34-36
• 3.2.2 非線性動力學方程36-38
• 3.2.3 數(shù)值解法38-39
• 3.3 仿真驗證及動態(tài)特性分析39-46
• 3.3.1 阻尼作用39-42
• 3.3.2 超彈性變形42-44
• 3.3.3 共振響應(yīng)44-46
• 3.4 超彈性柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化46-50
• 3.4.1 優(yōu)化問題的提出46-48
• 3.4.2 優(yōu)化問題的求解48-50
• 3.5 本章小結(jié)50-51
• 第4章 實驗平臺構(gòu)建與實驗研究51-61
• 4.1 引言51
• 4.2 超彈性柔性鉸鏈靜態(tài)變形實驗51-55
• 4.2.1 鉸鏈靜態(tài)變形測量原理及平臺構(gòu)建52-53
• 4.2.2 實驗結(jié)果及分析53-55
• 4.3 超彈性柔性鉸鏈振動測試55-60
• 4.3.1 鉸鏈振動測量原理及平臺構(gòu)建55-57
• 4.3.2 實驗結(jié)果及分析57-60
• 4.4 本章小結(jié)60-61
• 結(jié)論61-63
• 參考文獻63-67
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文67-69
• 致謝69

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本文編號：694170