考慮球鉸間隙與柔性構(gòu)件的空間多體系統(tǒng)動力學(xué)性能研究

發(fā)布時間：2020-08-10 09:22

【摘要】：含間隙球鉸的多體系統(tǒng)廣泛地存在于精密機械、船舶、航空航天器和機器人這些機械系統(tǒng)及動物骨骼系統(tǒng)中。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及需求的增加,各種多體系統(tǒng)在高速運行時的高精密性、高穩(wěn)定性和高效率性等相關(guān)的問題越來越受到相關(guān)研究人員的關(guān)注,特別是我們在航天器機構(gòu)以及汽車懸架機構(gòu)研究中也遇到了相關(guān)的問題。然而實際球鉸中存在的間隙會使球鉸組件之間發(fā)生相對運動產(chǎn)生碰撞力,進而影響多體系統(tǒng)的動力學(xué)特性,使得整個系統(tǒng)出現(xiàn)運動精度下降以及穩(wěn)定性降低等問題。因此分析含間隙球鉸多體系統(tǒng)動力學(xué)特性,降低間隙對多體系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)、運動精度和穩(wěn)定性的影響已經(jīng)成為相關(guān)研究的焦點。為降低球鉸間隙對多體系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響,本文基于工程實際新建了一種含彈性襯套的柔性間隙球鉸模型。然后使用這個模型建立了含柔性間隙球鉸的多體系統(tǒng),并進行了相關(guān)的動力學(xué)分析。將分析結(jié)果與傳統(tǒng)的含間隙多體系統(tǒng)的結(jié)果進行了對比,結(jié)果顯示這種含彈性襯套的間隙球鉸模型能大幅地降低間隙造成的碰撞力,具有大幅度且較全面地改善含間隙多體系統(tǒng)動力學(xué)特征的作用。本文研究為開展含間隙多體系統(tǒng)的設(shè)計、高精度分析和可靠性分析奠定了基礎(chǔ)。本文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新性結(jié)果如下:1,建立了含剛性間隙球鉸的多體系統(tǒng)動力學(xué)方程。分析了球鉸間隙、間隙尺寸以及驅(qū)動速度對含剛性間隙球鉸的多體系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響情況。分析結(jié)果顯示:間隙的存在會對多體系統(tǒng)的位移、速度和加速度響應(yīng)造成影響,使得間隙球鉸中球心運動軌跡和接觸力發(fā)生變化。此外,大間隙尺寸和高驅(qū)動速度增強了間隙對多體系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響。2,為減小間隙對多體系統(tǒng)的影響,建立了新型含彈性襯套的柔性間隙球鉸模型,然后將這個新的球鉸模型導(dǎo)入空間四連桿機構(gòu)中建立了含柔性間隙球鉸的多體系統(tǒng)動力學(xué)模型。對含柔性間隙球鉸的多體系統(tǒng)進行動力學(xué)響應(yīng)分析,并將所得結(jié)果與傳統(tǒng)剛性間隙球鉸多體系統(tǒng)的結(jié)果進行對比。分析結(jié)果顯示,新建立的柔性間隙球鉸可以使間隙球鉸內(nèi)的運動模式規(guī)律化,大幅度地降低間隙球鉸內(nèi)的碰撞力和碰撞頻率,進而能明顯地減弱間隙對多體系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的負面影響。3,討論分析了在不同間隙尺寸、驅(qū)動速度以及摩擦系數(shù)條件下柔性間隙球鉸對間隙多體系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響情況。分析結(jié)果顯示,柔性間隙球鉸能在各種條件下減弱間隙對多體系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的負面影響,特別是在大間隙尺寸、高驅(qū)動速度或低摩擦系數(shù)的情況下減弱作用尤其明顯。柔性間隙球鉸還能極大地降低間隙尺寸對多體系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響。4,研究了柔性間隙球鉸對減弱間隙影響提高多體系統(tǒng)連續(xù)運動穩(wěn)定的作用。討論分析了不同間隙尺寸、驅(qū)動速度及摩擦系數(shù)下柔性間隙球鉸對提高間隙多體系統(tǒng)連續(xù)運動穩(wěn)定性的情況。分析得出,柔性間隙球鉸能在各種間隙尺寸、驅(qū)動速度及摩擦系數(shù)下減弱間隙的影響,提高間隙多體系統(tǒng)連續(xù)運動的穩(wěn)定性。在大間隙尺寸、高驅(qū)動速度或低摩擦系數(shù)下,柔性間隙球鉸對提高間隙多體系統(tǒng)連續(xù)運動穩(wěn)定性的作用尤其明顯。5,對比分析了柔性連桿方案與柔性間隙球鉸方案。很多學(xué)者提出可采用柔性連桿的方式來減弱間隙的影響。對比結(jié)果顯示,柔性連桿方案對減弱間隙影響的作用有一定的局限性,它在一定程度上會降低間隙多體系統(tǒng)連續(xù)運動時的穩(wěn)定性。相比于柔性連桿方案,柔性間隙球鉸方案則能簡單、直接且非常全面地降低間隙對多體系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響,更好地改善間隙多體系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)和連續(xù)運動穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O313.7
【圖文】：

多體系統(tǒng),運動康復(fù),復(fù)雜機械,確定方式

1.1 研究背景與意義多體系統(tǒng)是指多個物體按照確定方式通過鉸相互連接而組成的具有一定拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)[1]。它廣泛地存在于車輛、船舶、機器人、航天航空器、復(fù)雜機械等多個領(lǐng)域的機械系統(tǒng)中[2-5]。此外哺乳動物的骨骼結(jié)構(gòu)也可以視為多體系統(tǒng)。根據(jù)機構(gòu)的定義可知機構(gòu)也屬于多體系統(tǒng)。多體系統(tǒng)中連接各物體的元件稱為鉸，這個鉸也就是機械學(xué)中的運動副。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同以及相對運動方式的不同可以把這些鉸分為：球鉸、旋轉(zhuǎn)鉸、滑移鉸、圓柱鉸、萬向鉸、螺旋鉸等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及需求的增加，各種復(fù)雜機械系統(tǒng)在高速運行下的高精密性高穩(wěn)定性以及高效率性等問題越來越受到相關(guān)研究人員的關(guān)注[6-9]。此外由于運動康復(fù)等原因，也促使人們越來越關(guān)注人體骨骼系統(tǒng)。這都使得人們在對復(fù)雜多體系統(tǒng)進行研究分析時需要考慮的因素越來越多[10]。

考慮球鉸間隙與柔性構(gòu)件的空間多體系統(tǒng)動力學(xué)性能研究