文档介绍：图书分类号 TH112 密级非密
UDC 注 1______________________________________________________________
硕士学位论文
基于两种柔顺单元柔顺机构的动力学研究与仿真
康利君
指导教师(姓名、职称) 李瑞琴教授
申请学位级别工学硕士
专业名称机械制造及其自动化
论文提交日期________年______月______日
论文答辩日期________年______月______日
学位授予日期________年______月______日
论文评阅人___________________________________________________________
答辩委员会主席_______________________
年月日
注 1:注明《国际十进分类法 UDC》的分类
原创性声明
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独
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基于两种柔顺单元柔顺机构的动力学研究与仿真
摘要
随着现代机构学的发展,柔顺机构的应用越来越广泛,在医疗中的微创手术、通
信中的微开关技术以及在精密定位、精密和超精密制造、精密操作、微机电系统
(MEMS)中都具有广泛的应用。目前,柔顺机构研究的热点包括:柔顺机构的静力
学与运动学分析;柔顺机构的动力学研究;柔顺机构的拓扑优化设计。其中,柔顺机
构的动力学研究相对较少,柔顺机构的设计与研究通常是很复杂的,虽然应用领域很
广,但是柔顺机构的设计通常只是为了满足需求的任务要求,对于柔顺机构本身动力
学特性都没有做深入的研究。
本文以柔顺铰链单元与柔顺杆单元两种基本柔顺单元为研究对象,主要研究了由
两种柔顺单元构成的三类柔顺机构的动力学研究方法。
本文首先以柔顺铰链单元为研究对象,研究了三种柔顺铰链的弯曲刚度与拉伸(压
缩)刚度的计算方法,且利用有限元软件进行了仿真实验,理论分析值与仿真数据进
行了对比分析,证明了理论推导的准确性,也证明该理论推导结果可用于柔顺机构动
力学研究之中。随后,利用梁的纯弯曲理论研究了三种柔顺铰链的正应力、剪应力分
布情况,得到了三种柔顺铰链在受弯矩情况下的最大正应力、最大剪应力的发生位置
与大小,为柔顺铰链的设计提供理论支持。
其次,利用伪刚体模型法建立了两种约束方式柔顺杆的伪刚体模型,并研究了两
种约束下柔顺杆的动能与势能,主要进行了动能公式的推导以及动能当量系数的数值
拟合,从而简化了柔顺杆动能的计算公式,为含柔顺杆柔顺机构的动力学研究提供了
基础。
基于两种柔顺单元的理论研究结果,本文研究了由两种基本柔顺单元构成的三类
柔顺机构的动力学研究方法。研究了一种含柔顺铰链的柔顺五连杆滑块机构,利用伪
刚体模型法对其进行了静力学、运动学、动力学分析,随后利用动力学仿真软件进行
了动力学仿真,得到了铰接点处的受力情况以及扭转弹簧的变形与受力情况。仿真实
验的数据可以为柔顺机构的优化设计提供理论支持;含柔顺杆柔顺机构的动力学分析
通常很复杂,本文利用伪刚体模型法对一种平行-导向柔顺杆柔顺机构进行了动力学建
模。对于大变形的全柔顺杆柔顺机构,本文介绍了 ANSYS 有限元非线性技术,并举
例进行了仿真实验。同时,针对该类型柔顺机构提出了一种新的设计方法,从而可以
提高全柔顺杆柔顺机构的设计与研究效率;最后,研究了一种混合柔顺单元柔顺五连
杆机构,利用伪刚体模型法对该机构进行了动力学建模,并进行了动力学特性分析,
研究了各参数对系统固有频率的影响且对该机构进行了有限元仿真,得到了该柔顺机
构的模态振型图以及应力分布图,为该机构的设计提供了理论支持。
关键词:柔顺机构,柔顺铰链单元,柔顺杆单元,伪刚体模型,动力学,仿真
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