目前,隨著液壓缸驅(qū)動(dòng)控制裝置向高精度方向發(fā)展,對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性要求也越來越高。而工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通常具有多變性和復(fù)雜性,在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的過程中,很多性能參數(shù)往往具有隱式和非線性特征。針對(duì)如何提高隱式非線性結(jié)構(gòu)的可靠性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了大量的研究工作并取得了成果,可靠性研究也成為目前研究的熱門方向之一。本文通過闡述系統(tǒng)非線性彈簧剛度的產(chǎn)生機(jī)理與時(shí)變摩擦力改變情況,探究導(dǎo)致液壓缸驅(qū)動(dòng)控制裝置自激振動(dòng)和受迫振動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)原因,并在此基礎(chǔ)上利用可靠性理論,對(duì)液壓缸動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行可靠性靈敏度分析研究。主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)靜載荷和交變載荷作用下的液壓缸非線性動(dòng)態(tài)特性分析液壓缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)緩時(shí)急的自激振動(dòng)現(xiàn)象,在交變和沖擊載荷作用下會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)現(xiàn)象,這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響其驅(qū)動(dòng)控制的穩(wěn)定性和精度。通過深入闡述系統(tǒng)非線性彈簧剛度的產(chǎn)生機(jī)理與時(shí)變摩擦力改變情況,探究導(dǎo)致液壓缸驅(qū)動(dòng)控制裝置自激振動(dòng)和受迫振動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)原因,在此基礎(chǔ)上基于微分方程理論構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型,利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真分析研究,揭示工作過程中液壓缸動(dòng)態(tài)特性的影響因素和變化規(guī)律。(2)提出一種針對(duì)隱式工程結(jié)構(gòu)的可靠性靈敏度分析方法液壓缸的很多動(dòng)態(tài)性能參數(shù)具有隱式特征。針對(duì)隱式工程結(jié)構(gòu),以一次可靠性分析方法為基礎(chǔ),通過向前或中心差分法獲得梯度信息,并逐步迭代搜索結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程(或功能函數(shù))極限狀態(tài)表面上的驗(yàn)算點(diǎn),利用過驗(yàn)算點(diǎn)的超平面來代替原隱式結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)表面,進(jìn)行可靠度和可靠性靈敏度求解。算例表明,所提方法抽樣次數(shù)少,計(jì)算精度較高。從而,為解決大型隱式工程結(jié)構(gòu)的可靠性分析問題,提供了參考。(3)提出一種針對(duì)隱式和強(qiáng)非線性工程結(jié)構(gòu)的可靠性靈敏度分析方法由于工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其模型求解除具有隱式特征外,一般還具有很強(qiáng)的非線性特征。針對(duì)具有隱式和強(qiáng)非線性特征的工程結(jié)構(gòu),提出一種新的抽樣擬合法,來進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性靈敏度分析。首先,以一次可靠性分析方法為基礎(chǔ)獲取驗(yàn)算點(diǎn);之后,通過高次梯度搜索法,反復(fù)迭代尋找極限狀態(tài)表面附近的其他訓(xùn)練樣本點(diǎn);最后,采用多項(xiàng)式函數(shù)或響應(yīng)面函數(shù)擬合出結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程,進(jìn)而分析工程結(jié)構(gòu)的可靠性靈敏度。數(shù)值和工程算例表明,所提方法具有較高的計(jì)算精度和效率。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TH137.51;TB114.3
【部分圖文】：

第1章緒論1第1章緒論1.1課題背景和意義本課題得到了吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“抗疲勞齒輪設(shè)計(jì)及其虛擬可靠性試驗(yàn)方法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JJKH20191300KJ）的資助。目前，液壓驅(qū)動(dòng)裝置已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。尤其在需要大功率、快速精確、穩(wěn)定反應(yīng)的工業(yè)控制領(lǐng)域占有重要地位。同時(shí)，隨著工業(yè)領(lǐng)域中各種機(jī)械制造裝備不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床設(shè)備中末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)精度及穩(wěn)定性也受到了很高的關(guān)注[1-2]，液壓驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)可靠性的研究及其動(dòng)態(tài)特性分析，已成為工程技術(shù)人員和相關(guān)學(xué)者普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題[3]。如圖1.1所示，為工業(yè)領(lǐng)域中常見的機(jī)械制造裝備。圖1.1（a）為焊接作業(yè)中的工業(yè)機(jī)器人；圖1.1（b）為正在切削“人臉”凸模的機(jī)床。（a）焊接作業(yè)中的工業(yè)機(jī)器人（b）制造“人臉”凸模的機(jī)床圖1.1工業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)械制造裝備如圖1.1所示，當(dāng)機(jī)械制造裝備中使用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)和控制裝置時(shí)，液壓執(zhí)行元件，如液壓缸工作的動(dòng)態(tài)特性將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和制造精度[2]。因此，研究液壓缸的動(dòng)態(tài)特性及其可靠性靈敏度分析方法，具有重要意義。然而，液壓缸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如位移、速度和加速度的調(diào)整時(shí)間、最大超調(diào)量等，很多都具有隱式和非線性特征。傳統(tǒng)的可靠性靈敏度分析方法，由于計(jì)算效率、成本和精度的原因，難以直接應(yīng)用于具有隱式和非線性特征的液壓缸動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析[4-5]。所以，在液壓缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，研究具有隱式和非線性特征的結(jié)構(gòu)可靠性

第2章基本理論和方法132.4.2待定系數(shù)估計(jì)假設(shè)利用某方法設(shè)計(jì)出變量空間存在m個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，則相對(duì)應(yīng)的輸出量m個(gè)表示為m,,,yyy21y。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法擬合，則表示為msntsttsmssxyL1211012(2-22)式(2-22)中，i為誤差項(xiàng)。要求平方和達(dá)到最小，則有21,,01001121,,010112020mnnstststmnnstststtstLyxLyxx(2-23)式(2-23)中，方程的個(gè)數(shù)與向量的數(shù)量一致。將求解式(2-23)各系數(shù)的估計(jì)值帶入含有交互效應(yīng)的二階模型，該二階模型即為所求的響應(yīng)面函數(shù)。2.4.3Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，通過因子與不完全集區(qū)設(shè)計(jì)共同作用形成RMS法的三水平設(shè)計(jì)，使用該試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以利用較少的試驗(yàn)次數(shù)，有效估計(jì)多項(xiàng)式模型中的一/二階系數(shù)[65]。由于Box-Behnken的設(shè)計(jì)點(diǎn)一般較少，所以他們的運(yùn)行成本相比于同因子的中心復(fù)合設(shè)計(jì)低，三變量全因子的Box-Behnken設(shè)計(jì)如圖2.1所示。由圖可知，該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)由中心點(diǎn)和邊中點(diǎn)構(gòu)成。圖2.1全因子試驗(yàn)點(diǎn)空間利用式(2-24)可以確定變量的水平點(diǎn)值ilx為1iilxilxxsp(2-24)

第3章液壓缸非線性動(dòng)態(tài)特性分析17面積；2A為有桿腔有效面積。根據(jù)圖3.1中的受力分析可知，油液對(duì)活塞左右兩腔的有效作用力，可等效為瞬時(shí)液壓彈簧力tF，即2211pApAFt。根據(jù)牛頓第二定律，其動(dòng)力學(xué)方程為L(zhǎng)fctFFFFxm(3-1)式(3-1)中：tF為彈性力；fF為活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力；LF為外界所受負(fù)載力；cF為阻尼力；m為缸筒的質(zhì)量。圖3.1單活塞桿液壓缸的工作原理圖3.3液壓缸非線性時(shí)變特性3.3.1非線性液壓彈簧力如圖3.1所示的單活塞雙作用式桿液壓缸，當(dāng)外界的負(fù)載作用到液壓缸上后，驅(qū)動(dòng)整個(gè)單活塞液壓缸向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)液壓油充滿了液壓缸的整個(gè)腔內(nèi)，且都處于壓縮狀態(tài)。因此，液壓缸液壓彈簧在有桿腔和無桿腔的剛度加在一起才是總的液壓彈簧剛度。同時(shí)當(dāng)活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體彈簧的長(zhǎng)度也會(huì)隨之改變，導(dǎo)致彈簧剛度也發(fā)生改變。根據(jù)胡克定律，可得液壓彈簧剛度隨活塞位移變化的規(guī)律為[12]AxxLAKxxAAKxk0222o0121o(3-2)式中，Ko為液壓油體積的彈性模量；x0為活塞桿的最初位置；L為活塞桿總行程；和為待定系數(shù)。于是，根據(jù)式(3-2)可得液壓彈簧剛度k隨活塞位移x的變化曲線，如圖3.2所示。當(dāng)液壓缸工況為1，0時(shí)，液壓缸中的液壓彈簧剛度xk)(隨行程x增加逐漸變小，表現(xiàn)出全程軟彈簧特性，此時(shí)液壓缸中的回路只有進(jìn)油回路，沒有背壓回路；當(dāng)液壓缸為1，1工況時(shí)，液壓缸中的液壓彈簧剛度xk)(隨行程x增加，先逐漸變小后又逐漸變大，則此時(shí)軟彈簧與硬彈簧各為半程，當(dāng)液壓缸工況為0，1時(shí)，液壓彈簧剛度xk)(隨行程x增加逐漸變大，表現(xiàn)出全程硬彈簧特性，此時(shí)液壓缸
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2871169