本文關(guān)鍵詞：一種三自由度并聯(lián)動(dòng)力頭輕量化設(shè)計(jì)方法研究

  更多相關(guān)文章： 并聯(lián)動(dòng)力頭 運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià) 剛度半解析建模 有限元建模 輕量化設(shè)計(jì)

【摘要】：本文密切結(jié)合航空航天大型鋁合金結(jié)構(gòu)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(dòng)力頭——A3頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)、剛度建模與快速預(yù)估以及基于靜剛度約束的輕量化設(shè)計(jì)方法,將研究成果應(yīng)用于A3頭樣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。全文得到成果如下:在運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)方面,構(gòu)造出主動(dòng)和被動(dòng)關(guān)節(jié)變量位置逆解模型,可用于揭示主動(dòng)與被動(dòng)關(guān)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(píng)價(jià)A3頭這類位姿耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的無量綱指標(biāo),揭示出歸一化尺度參數(shù)對(duì)該指標(biāo)的影響規(guī)律。上述工作為在輕量化設(shè)計(jì)中正確設(shè)置幾何約束和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能約束提供了重要依據(jù)。在靜剛度半解析建模方法研究方面,構(gòu)造出考慮全部運(yùn)動(dòng)部件重力的關(guān)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(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的外力旋量的重要結(jié)論;建立了關(guān)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(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)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(chǔ)上,建立了各子裝配體在局部坐標(biāo)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(gòu)造出A3頭靜剛度半解析模型。所建模型計(jì)及了重力場(chǎng)的影響,可實(shí)現(xiàn)對(duì)全域靜剛度,以及由切削載荷和重力場(chǎng)引起變形的快速預(yù)估。在界面柔度快速精確預(yù)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(yù)估策略和單自由度運(yùn)動(dòng)副有限元精細(xì)建模方法,可有效提高界面柔度計(jì)算精度與效率。在此基礎(chǔ)上,提出一種計(jì)算支鏈中各零部件柔度的計(jì)算流程,僅需一次有限元建模便可計(jì)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)得到了驗(yàn)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(gòu)件重力對(duì)末端變形的貢獻(xiàn),為樣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。在輕量化設(shè)計(jì)方法研究方面,針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工需求,提出一種基于靜剛度約束的輕量化設(shè)計(jì)思想,并構(gòu)造出相應(yīng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)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(qū)動(dòng)和約束剛度的特點(diǎn)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(xué)原理,分別提出界面驅(qū)動(dòng)應(yīng)與約束剛度應(yīng)相互匹配,支鏈中各子裝配體剛度應(yīng)相互匹配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在構(gòu)造相應(yīng)幾何約束和剛度約束基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)面分析和多島遺傳算法實(shí)現(xiàn)了A3頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)仿真表明,在整機(jī)質(zhì)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(jìn)而驗(yàn)證了所提出輕量化設(shè)計(jì)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(tái)A3頭數(shù)字樣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì),對(duì)豐富和發(fā)展這類高速加工裝備的設(shè)計(jì)理論與方法,推進(jìn)其在航空制造領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：并聯(lián)動(dòng)力頭 運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià) 剛度半解析建模 有限元建模 輕量化設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(nèi)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(yù)估28-29
• 1.2.3 剛度設(shè)計(jì)理論與方法29-31
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容31-33
• 第二章 并聯(lián)動(dòng)力頭幾何與運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)40-41
• 2.6 幾何與運(yùn)動(dòng)學(xué)性能約束41-47
• 2.6.1 被動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角約束42-44
• 2.6.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析44-47
• 2.7 小結(jié)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(xué)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(jié)59-61
• 第四章 界面柔度系數(shù)快速精確預(yù)估方法61-87
• 4.1 引言61
• 4.2 界面柔度預(yù)估基本原理61-65
• 4.3 有限元精細(xì)化建模方法65-70
• 4.3.1 典型單自由度運(yùn)動(dòng)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(yù)估策略及流程70-72
• 4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證與算例分析72-84
• 4.5.1 靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證75-77
• 4.5.2 靜剛度與重力變形仿真分析77-84
• 4.6 小結(jié)84-87
• 第五章 基于靜剛度約束的輕量化設(shè)計(jì)87-123
• 5.1 引言87
• 5.2 設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)流程87-93
• 5.2.1 輕量化設(shè)計(jì)的基本原理87
• 5.2.2 輕量化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型87-91
• 5.2.3 輕量化設(shè)計(jì)總體流程91-93
• 5.3 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)策略93-113
• 5.3.1 末端剛度下限的構(gòu)造93-95
• 5.3.2 幾何干涉分析95-98
• 5.3.3 響應(yīng)面建模98-102
• 5.3.4 靈敏度分析102-113
• 5.4 整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)113-122
• 5.5 小結(jié)122-123
• 第六章 全文總結(jié)123-125
• 6.1 結(jié)論123-124
• 6.2 工作展望124-125
• 參考文獻(xiàn)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(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ZHANG Jun;ZHAO Yanqin;DAI Jiansheng;;Compliance Modeling and Analysis of a 3-RPS Parallel Kinematic Machine Module[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2014年04期

2 Li Yonggang;Zhang Erjiang;Song Yimin;Feng Zhiyou;;Stifness modeling and analysis of a novel 4-DOF PKM for manufacturing large components[J];Chinese Journal of Aeronautics;2013年06期

3 賈文鋒;張學(xué)良;溫淑花;陳永會(huì);楊波;;基于虛擬材料的結(jié)合面建模與參數(shù)獲取方法[J];太原科技大學(xué)學(xué)報(bào);2013年05期

4 王書亭;李杰;劉濤;毛寬民;;機(jī)械固定結(jié)合面剛度特性建模[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年08期

5 王平;鄭松林;吳光強(qiáng);;基于協(xié)同優(yōu)化和多目標(biāo)遺傳算法的車身結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2011年02期

6 ;Dynamic Modeling and Eigenvalue Evaluation of a 3-DOF PKM Module[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2010年02期

7 蔣書運(yùn);祝書龍;;帶滾珠絲杠副的直線導(dǎo)軌結(jié)合部動(dòng)態(tài)剛度特性[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2010年01期

8 Derek G CHETWYND;;A semi-analytical approach for stiffness modeling of PKM by considering compliance of machine frame with complex geometry[J];Chinese Science Bulletin;2008年16期

9 毛寬民;李斌;謝波;魏要強(qiáng);;滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副可動(dòng)結(jié)合部動(dòng)力學(xué)建模[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年08期

10 趙鐵石;趙延治;邊輝;李娜;;空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)連續(xù)剛度非線性映射[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2008年08期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 落海偉;新型三坐標(biāo)并聯(lián)動(dòng)力頭彈性動(dòng)力學(xué)與切削穩(wěn)定性研究[D];天津大學(xué);2014年

2 方兵;精密數(shù)控機(jī)床及其典型結(jié)合面理論建模與實(shí)驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2012年

3 李艷聰;計(jì)及壓制件成形精度的液壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[D];天津大學(xué);2010年

4 李忠群;復(fù)雜切削條件高速銑削加工動(dòng)力學(xué)建模、仿真與切削參數(shù)優(yōu)化研究[D];北京航空航天大學(xué);2008年

5 王友漁;一類球坐標(biāo)型混聯(lián)機(jī)器人靜剛度建模理論與方法研究[D];天津大學(xué);2008年

6 成群林;航空整體結(jié)構(gòu)件切削加工過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D];浙江大學(xué);2006年

7 黃志剛;航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的有限元模擬理論及方法研究[D];浙江大學(xué);2003年

，

本文編號(hào)：766284