基于柔性鉸鏈通用模型的柔性位移放大機(jī)構(gòu)建模方法研究.pdf

1、作為柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的核心單元，柔性鉸鏈的選型與參數(shù)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)的整體性能。由于對(duì)各種切口型式的柔性鉸鏈的研究是獨(dú)立完成的，每種鉸鏈都對(duì)應(yīng)一套十分復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，這使得柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)者在選擇鉸鏈型式時(shí)難度很大。在進(jìn)行柔性鉸鏈參數(shù)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)者主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來完成柔性鉸鏈的選型，這樣難以保證所選擇的鉸鏈切口型式最佳。柔性鉸鏈的通用模型方法，通過通用的解析模型將多種切口形狀的柔性鉸鏈統(tǒng)一起來，從而將柔性鉸鏈切口型式的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)

2、兩個(gè)過程合二為一。
　　論文基于圓錐曲線類柔性鉸鏈的通用模型，以橋式柔性位移放大機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，研究柔性位移放大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模、應(yīng)力分析以及涉及柔性鉸鏈切口選型和機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)（包括柔性鉸鏈的幾何參數(shù)）的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。論文完成的主要工作有：
　　(1)利用圓錐曲線的統(tǒng)一極坐標(biāo)方程，提出了一種圓錐曲線類柔性鉸鏈的通用模型，并基于小變形梁假設(shè)，推導(dǎo)了柔性鉸鏈沿各個(gè)方向柔度的解析表達(dá)式；基于圓錐曲線類柔性鉸鏈的通用模

3、型，綜合考慮機(jī)構(gòu)中柔性鉸鏈的切口形狀及幾何參數(shù)、機(jī)構(gòu)中剛性桿的幾何參數(shù)，建立了柔性位移放大機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析模型；基于該模型分析了柔性鉸鏈切口形狀及機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)性能的影響，以及柔性鉸鏈幾何參數(shù)加工誤差對(duì)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)性能的影響。
　　(2)基于力插值的有限元法，采用單位載荷法推導(dǎo)了柔性鉸鏈的通用位移插值函數(shù)，并利用位移插值函數(shù)給出了圓錐曲線類柔性鉸鏈的一致質(zhì)量矩陣表達(dá)式。基于圓錐曲線類柔性鉸鏈的通用模型，建立了單個(gè)柔性鉸鏈的

4、動(dòng)力學(xué)方程，并分析了柔性鉸鏈切口形狀及幾何參數(shù)對(duì)其基頻的影響。
　　(3)分別基于偽剛體模型和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了柔性位移放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析模型；基于圓錐曲線類柔性鉸鏈的通用模型，分析了機(jī)構(gòu)中柔性鉸鏈的切口形狀及機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)放大機(jī)構(gòu)最低階固有頻率的影響。
　　(4)基于圓錐曲線類柔性鉸鏈的通用模型，研究了平面載荷作用下柔性鉸鏈中的應(yīng)力分布，并根據(jù)畸變能密度屈服準(zhǔn)則，給出了柔性鉸鏈最大名義應(yīng)力的計(jì)算公式及強(qiáng)度校核條

5、件；基于有限元仿真分析數(shù)據(jù)，采用數(shù)值擬合法，得到了圓錐曲線類柔性鉸鏈的拉伸應(yīng)力集中系數(shù)和彎曲應(yīng)力集中系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并考慮應(yīng)力集中影響給出了平面載荷作用下柔性鉸鏈及位移放大機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力的計(jì)算公式。
　　(5)根據(jù)使用性能原則，在保證機(jī)構(gòu)固有頻率的前提下，以柔性鉸鏈的失效抗力指標(biāo)為材料選擇原則，基于 Ashby圖法分析了柔性鉸鏈的材料選擇，給出了幾種適合加工柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的材料。
　　(6)在綜合考慮靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能及應(yīng)力