【摘 要】
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柔顺机构因其结构简单、免于摩擦磨损、便于能量储存转化、抵抗冲击和适应恶劣环境等优点,广泛应用于精密工程、仿生机械、生物医疗和航空航天等科技前沿领域。新的应用领域对柔顺机构的动力学性能提出了更高的要求,设计者希望设计出具有期望固有频率的柔顺机构。本文基于等几何法构建具有期望固有频率的平面曲梁构型库,为设计人员提供具有期望自由度与性能的平面曲梁,在整个柔顺机构设计过程中同时兼顾自由度和固有频率,提高柔
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柔顺机构因其结构简单、免于摩擦磨损、便于能量储存转化、抵抗冲击和适应恶劣环境等优点,广泛应用于精密工程、仿生机械、生物医疗和航空航天等科技前沿领域。新的应用领域对柔顺机构的动力学性能提出了更高的要求,设计者希望设计出具有期望固有频率的柔顺机构。本文基于等几何法构建具有期望固有频率的平面曲梁构型库,为设计人员提供具有期望自由度与性能的平面曲梁,在整个柔顺机构设计过程中同时兼顾自由度和固有频率,提高柔顺机构的设计水平。为实现对曲梁单元固有频率的优化,基于等几何分析方法,结合最小势能原理,完成了一般平面曲梁的动力学分析,推导出了以控制点为参数的曲梁单元刚度矩阵和质量矩阵表达式,进而推导出曲梁控制点与其固有频率的映射关系。根据曲梁单元的质量相对于柔顺机构工作平台质量很小,可以忽略的特点,将曲梁模型进行了简化。根据曲梁控制点与其固有频率的映射关系,结合自由度判定方法,以自由度为约束条件,以曲梁控制点为变量,以期望固有频率为目标,分别采用扫略寻优方法和粒子群优化算法对曲梁固有频率进行优化,将曲梁单元按照自由度进行分类,建立具有期望固有频率的任意平面曲梁构型库。通过对并联曲梁柔顺机构进行模态分析,研究了曲梁相对位置对曲梁柔顺机构固有频率的影响规律。结合自由度判定方法,采用构型库中的曲梁单元设计出具有期望自由度和固有频率的平面曲梁柔顺机构,并用仿真验证理论的正确性和设计的可行性。结合自由度约束拓扑理论,从构型库中挑选出具有特定性能指标的曲梁单元对空间柔顺机构进行设计,并运用仿真和实验验证理论的正确性和设计的可行性,可以为任意曲梁柔顺机构的设计、分析与优化提供借鉴。
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