本文關鍵詞：一種三自由度并聯(lián)動力頭輕量化設計方法研究

  更多相關文章： 并聯(lián)動力頭 運動學性能評價 剛度半解析建模 有限元建模 輕量化設計

【摘要】：本文密切結合航空航天大型鋁合金結構件高速銑削加工的需求,系統(tǒng)研究一種新型三自由度并聯(lián)動力頭——A3頭的運動學性能評價、剛度建模與快速預估以及基于靜剛度約束的輕量化設計方法,將研究成果應用于A3頭樣機的改進設計。全文得到成果如下:在運動學性能評價方面,構造出主動和被動關節(jié)變量位置逆解模型,可用于揭示主動與被動關節(jié)變量隨尺度參數(shù)和位形的變化規(guī)律;建立了一種評價A3頭這類位姿耦合機構運動學性能的無量綱指標,揭示出歸一化尺度參數(shù)對該指標的影響規(guī)律。上述工作為在輕量化設計中正確設置幾何約束和運動學性能約束提供了重要依據。在靜剛度半解析建模方法研究方面,構造出考慮全部運動部件重力的關節(jié)力與操作力映射模型,得到支鏈重力可等效為作用在動平臺參考點的外力旋量的重要結論;建立了關節(jié)變形與末端變形間的映射模型,其將末端變形分解為由作用在動平臺參考點等效外力旋量引起的變形和由支鏈分布重力在約束方向上引起的變形兩部分。在此基礎上,建立了各子裝配體在局部坐標系下的柔度與界面柔度間的映射模型,并借助線性疊加原理構造出A3頭靜剛度半解析模型。所建模型計及了重力場的影響,可實現(xiàn)對全域靜剛度,以及由切削載荷和重力場引起變形的快速預估。在界面柔度快速精確預估方法研究方面,提出一種具有分層遞階格式的界面柔度預估策略和單自由度運動副有限元精細建模方法,可有效提高界面柔度計算精度與效率。在此基礎上,提出一種計算支鏈中各零部件柔度的計算流程,僅需一次有限元建模便可計算出支鏈中全部零部件的局部柔度。該方法的有效性已通過靜、動態(tài)試驗得到了驗證。利用所提出的剛度半解析建模方法,揭示出影響A3頭末端剛度的薄弱環(huán)節(jié),以及不同構件重力對末端變形的貢獻,為樣機的改進設計提供了重要的依據。在輕量化設計方法研究方面,針對航空結構件5軸聯(lián)動數(shù)控加工需求,提出一種基于靜剛度約束的輕量化設計思想,并構造出相應的優(yōu)化數(shù)學模型和具有分層遞階格式的優(yōu)化流程。利用界面剛度可分解為驅動和約束剛度的特點以及串聯(lián)彈簧系統(tǒng)剛度取決于其中剛度最低者的力學原理,分別提出界面驅動應與約束剛度應相互匹配,支鏈中各子裝配體剛度應相互匹配的設計準則。在構造相應幾何約束和剛度約束基礎上,利用響應面分析和多島遺傳算法實現(xiàn)了A3頭的優(yōu)化設計。計算機仿真表明,在整機質量幾乎不變的前提下,末端剛度提高1倍以上,低階固有頻率提高36%,進而驗證了所提出輕量化設計思想、方法和流程的可行性和有效性。本文研究成果已用于一臺A3頭數(shù)字樣機的改進設計,對豐富和發(fā)展這類高速加工裝備的設計理論與方法,推進其在航空制造領域中的應用具有重要的理論意義與實用價值。
【關鍵詞】：并聯(lián)動力頭 運動學性能評價 剛度半解析建模 有限元建模 輕量化設計
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V261
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 字母注釋表13-21
• 第一章 緒論21-33
• 1.1 課題研究背景及意義21-26
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀26-31
• 1.2.1 靜剛度建模26-28
• 1.2.2 零部件剛度精確預估28-29
• 1.2.3 剛度設計理論與方法29-31
• 1.3 本文主要研究內容31-33
• 第二章 并聯(lián)動力頭幾何與運動學約束33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 系統(tǒng)簡介33-34
• 2.3 位置逆解分析34-39
• 2.4 速度分析39-40
• 2.5 運動學性能指標40-41
• 2.6 幾何與運動學性能約束41-47
• 2.6.1 被動關節(jié)轉角約束42-44
• 2.6.2 運動學性能分析44-47
• 2.7 小結47-49
• 第三章 考慮重力的靜剛度半解析建模方法49-61
• 3.1 引言49
• 3.2 靜剛度半解析建模49-59
• 3.2.1 靜力學建模49-51
• 3.2.2 靜變形建模51-52
• 3.2.3 靜剛度建模52-53
• 3.2.4 界面柔度的半解析建模53-59
• 3.3 小結59-61
• 第四章 界面柔度系數(shù)快速精確預估方法61-87
• 4.1 引言61
• 4.2 界面柔度預估基本原理61-65
• 4.3 有限元精細化建模方法65-70
• 4.3.1 典型單自由度運動副建模方法66-68
• 4.3.2 力流分析與約束邊界確定68-70
• 4.4 柔度系數(shù)快速預估策略及流程70-72
• 4.5 試驗驗證與算例分析72-84
• 4.5.1 靜動態(tài)試驗驗證75-77
• 4.5.2 靜剛度與重力變形仿真分析77-84
• 4.6 小結84-87
• 第五章 基于靜剛度約束的輕量化設計87-123
• 5.1 引言87
• 5.2 設計思想與設計流程87-93
• 5.2.1 輕量化設計的基本原理87
• 5.2.2 輕量化設計的數(shù)學模型87-91
• 5.2.3 輕量化設計總體流程91-93
• 5.3 設計方法與設計策略93-113
• 5.3.1 末端剛度下限的構造93-95
• 5.3.2 幾何干涉分析95-98
• 5.3.3 響應面建模98-102
• 5.3.4 靈敏度分析102-113
• 5.4 整機輕量化設計113-122
• 5.5 小結122-123
• 第六章 全文總結123-125
• 6.1 結論123-124
• 6.2 工作展望124-125
• 參考文獻125-133
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明133-134
• 致謝134-135

【參考文獻】

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本文編號：766284