本文選題：空間機械臂 + 分段約束阻尼層　； 參考：《中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)》2016年博士論文

【摘要】：空間機械臂是完成空間站組裝和維護任務的重要工具,由于臂桿的柔性,在軌展開之后機械臂末端容易產(chǎn)生振動。約束阻尼層是對柔性結(jié)構(gòu)進行振動控制的有效方式,其機理是粘彈性阻尼層在剪切變形的過程中能將部分應變能轉(zhuǎn)化為熱能。一種同時切斷約束層和阻尼層的分段方法可以進一步提高約束阻尼層的阻尼特性,但是這種分段方法并不是對所有類型約束阻尼層都適用,本文對分段約束阻尼層的特性進行了研究,并以在研的空間站機械臂小臂系統(tǒng)為例討論了如何在工程中應用約束阻尼層對柔性結(jié)構(gòu)進行振動抑制。首先依據(jù)層間切應力連續(xù)假設,建立了分段約束阻尼層的有限元模型,這種模型在阻尼層極薄時仍然有較高的計算精度,比較了考慮和未考慮層間切應力連續(xù)條件的兩種模型的損耗因子結(jié)果。結(jié)果表明,阻尼層極薄時并不能使結(jié)構(gòu)獲得較好的阻尼特性并通過試驗對這一觀點進行了驗證。損耗因子是通過模態(tài)應變能法計算得到的,作為定量衡量結(jié)構(gòu)阻尼水平的標準。阻尼層內(nèi)的剪切應變場和粘彈性材料的體積直接決定約束阻尼層的阻尼,其他參數(shù)都是通過影響阻尼層內(nèi)剪切應變場進而影響結(jié)構(gòu)阻尼。分段方法會在阻尼層內(nèi)產(chǎn)生一個剪切變形集中區(qū)域,但是分段方法并不總能提高結(jié)構(gòu)阻尼水平。依據(jù)已經(jīng)建立的有限元模型,分析了分段方法以及其他材料尺寸參數(shù)對剪切應變場的影響,并用遺傳算法對分段切口的數(shù)目和位置進行了優(yōu)化。結(jié)果表明,阻尼層厚度變化對分段方法適用性有不同的影響,當阻尼層相對較薄時,阻尼層內(nèi)剪切應變水平較高,分段方法是適用的,但是阻尼層較薄時約束阻尼層的阻尼特性通常較差。如果合理選擇阻尼層厚度,分段的方法只有當阻尼層剪切應變水平較低時才適用,而提高基層和約束層的剛度或者采用剪切模量較小的粘彈性材料都可以提高阻尼層內(nèi)剪切應變。當約束阻尼層結(jié)構(gòu)以第一階模態(tài)形式變形時,阻尼層內(nèi)剪切應變水平較低,因此分段方法對于提高第一階模態(tài)阻尼總是有效的,對于高階模態(tài)阻尼,分段方法只對極柔性結(jié)構(gòu)適用。本文提出了一種新型分段方法,這種方法不完全切斷約束層,可以提高結(jié)構(gòu)高階模態(tài)阻尼,通過試驗對這種分段方法的特性進行了驗證。分段方法對主動約束阻尼層的阻尼特性也會產(chǎn)生影響,主動約束阻尼層的約束層為壓電陶瓷,在外加電場的作用下壓電陶瓷內(nèi)部會產(chǎn)生機械變形,而這種變形可以提高阻尼層內(nèi)剪切應變。采用PD控制算法對壓電陶瓷進行控制,分析了控制參數(shù)與材料尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)阻尼的影響,進一步分析分段方法對主動約束阻尼層的影響,結(jié)果表明阻尼層會降低壓電陶瓷的驅(qū)動性能,分段方法只有在基層厚度較小時才適用。結(jié)合工程應用的需求,研究了主動約束阻尼層在MSC/Nastran中計算方法,MSC/Nastran中沒有壓電陶瓷建模單元,用熱應變對逆壓電效應所產(chǎn)生的應變進行模擬,利用MSC/Nastran中傳遞函數(shù)模塊對壓電陶瓷施加控制算法,以工程應用中的實例對這種計算方法進行了說明。機械臂的臂桿為空心圓殼結(jié)構(gòu),在臂桿表面覆蓋約束阻尼層可以提高其阻尼特性,圓殼形狀的約束層會限制阻尼材料的變形,而分段方法可以提高阻尼層內(nèi)剪切變形,因此具有較好的適用性。比較了沿長度方向分段和沿周長方向分段兩種分段方法,結(jié)果表明沿周長方向分段的方法更優(yōu)。建立了機械臂有限元模型并通過發(fā)射狀態(tài)下振動試驗進行了驗證,提出了兩種在臂桿表面覆蓋約束阻尼層的方案,分別為覆蓋主動約束阻尼層和覆蓋分段被動約束阻尼層。頻率響應結(jié)果表明,在臂桿位置覆蓋約束阻尼層可以在不明顯改變機械臂質(zhì)量和剛度的前提下,實現(xiàn)對末端振動的抑制,并且這種方法具有可靠性高的特點。
[Abstract]:In this paper , it is proved that the damping layer is very thin , the damping property of the constrained damping layer can be improved . The method can improve the shear deformation in the damping layer , therefore , it has better applicability . The results show that the method is more superior in the length direction and in the direction of circumference . The results show that the method is better than that of the active constrained damping layer and the covering segment passive restraint damping layer . The results show that the restraint damping layer can restrain the end vibration without significantly changing the quality and rigidity of the robot arm , and the method has the characteristics of high reliability .

【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP241

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本文編號：1763578