空间机构运动学建模与分析方法的研究

为了快速高效地建立空间机构运动模型以进行运动学特性分析,运用多体动力学原理,提出了一种计算机符号建模与数值的计算方法.在每根杆件上的运动副处建立笛卡尔直角坐标系,用这些坐标系之间的关联关系来描述空间机构的结构形态,推导了同一杆件上2个坐标系之间的变换关系,得到了杆件形状矩阵.根据运动副的类型和属性,推导了同一运动副处不同杆件上2个坐标系之间的变换关系,得到了运动副约束矩阵.通过在运动链上连续使用变换矩阵,建立了空间机构的数学模型,并用推导的运动方程对时间求导,得到了空间机构的速度和加速度方程.研究表明,由开发的空间机构运动学分析软件,结合空间4杆机构的运动学分析,验证了建模与求解方法的正确性,从而为空间运动机构建模与运动学分析提供了一种有效的方法.     

空间机构计算机建模与分析方法

为建立空间机构计算机模型分析其运动特性,运用多体动力学原理,提出了一种机构运动学和动力学建模与分析方法。通过在约束运动副处的杆件上建立直角坐标系,建立了描述空间机构结构形态的符号体系。定义了杆件形状矩阵和约束运动矩阵,推导了其表达式。通过在运动链上连续使用变换矩阵,建立了空间机构的运动方程,实现了空间机构的运动分析。基于Hamilton原理,建立了空间机构的动力学方程。提出了通过定义空间3点来定义空间坐标系的方法,推导了杆件形状矩阵的表达式。以铰链约束运动副、球铰约束运动副和直齿圆柱齿轮约束运动副为例,根据其运动特性,分别定义其约束运动矩阵。开发了空间机构通用分析软件,给出了应用实例。     

六维并联地震模拟器机构的动力学分析与仿真

基于Newton Euler法对三向六自由度(6 PSS)并联地震模拟器进行了动力学分析,分析了地震模拟器运动平台与各构件运动参量之间的关系;考虑重力与惯性力的影响,推导了并联机构杆件和运动平台动力学方程,并消去各构件之间的内力,建立了机构整体动力学方程;基于动力学模型进行动平台各驱动力的数值仿真.结果表明,6-PSS并联机构适用于地震模拟器,所建立的动力学模型能够作为其精确控制的数学模型.     

带损伤平面桁架结构位移解析

 采用解析方法,研究了带损伤平面桁架结构的静力问题。对于含有n个子结构的平面桁架结构,建立一个与理想桁架结构等价的循环周期结构体系,对其中一个子结构建立控制方程,将杆件损伤处理为方程的荷载项,运用U 变换法对静力学方程组进行解耦,推导出各个节点位移的解析表达式。应用解析表达式分析带一个杆件损伤桁架结构的节点位移,并与无损伤时结构的解相比较,结果显示,有损伤时相关节点位移较无损伤时有所增大,且其位移变化合理,验证了解析表达式的可行性。     

拉索预应力球面巨型网格结构静力性能优化分析

针对拉索预应力球面巨型网格结构的静力优化问题,提出对拉索预应力、立体桁架梁高度、杆件截面的三级优化法,对各变量分别采用不同的目标和方法进行逐级优化.对杆件截面优化以结构自重为目标函数并采用满应力法;立体桁架梁高度通过结构内力峰值和挠度比两项指标予以确定;优化拉索预应力时,采用结构杆件内力的平方和最小为目标函数建立数学模型,并运用影响矩阵线性优化法和复形法求解.文中对一个180 m跨度的结构,提出了5种不同的布索方案,并基于以上理论,进行了优化分析.结果表明,实际工程采用沿周边布索方案为佳.同时优化分析结果也证明了本文采用的优化分析方法和编制的程序是高效可行的.     

矩阵法在导杆机构中的应用

建立了导杆机构的速度、加速度矩阵方程,运用机械设计应用软件计算出摆动导杆机构的速度和加速度,并在ＡｕｔｏＣＡＤＲ１３．０环境下作出了速度、加速度曲线关系图,可应用推广到机构原理运动分析中．     

改进型管道清灰机器人撑开机构动力学分析及仿真

以改进型管道清灰机器人为研究对象,建立机器人行走装置撑开机构简图.利用动态仿真的联立约束法,将运动约束和牛顿-欧拉方程组成一组联立线性方程组,求解得到各关节的约束反力、加速度和速度.利用Matlab编制计算程序,基于Simulink建立仿真模型,对管道机器人撑开机构动力学进行动态仿真,仿真结果表明:机器人撑开机构滑块速度方向改变时,机构各杆件受力达到最大,且杆件3受力最大.     

矩阵法在导杆机构中的应用

建立了导杆机构的速度、加速度矩阵方程，运用机械设计应用软件计算出摆动导杆机构的速度和加速度，并在ＡｕｔｏＣＡＤ Ｒ１３．０环境下作出了速度、加速度曲线关系图，可应用推广到机构原理运动分析中。     

塑性破坏模式下桁架杆件重要性评价与优化

为使结构易损性分析更符合实际破坏情况,考虑了材料的塑性性能,提出了桁架结构杆件塑性重要性系数的计算方法,进而实现桁架的优化设计.首先假设杆件为弹塑性材质,以刚度损失定义杆件的塑性状态及破坏模式,采用附加荷载来考虑塑性阶段的结构承载力;其次建立桁架结构刚度矩阵与变形刚度矩阵之间的关系,寻求杆件位移与变形的内在联系,由此推导杆件塑性重要性系数;最后,通过预先假设桁架受力最不利情况和破坏模式,基于前述塑性重要性系数计算,实现桁架杆件的优化.通过一榀平面桁架算例说明了考虑材料塑性性能时得到的重要性系数值与仅考虑弹性性能有所区别,桁架失效模式更合理.同时桁架结构优化后,可以充分利用各杆件的抗力.     

斯蒂芬逊型六杆机构运动分析与仿真

采用解析法推导斯蒂芬逊型六杆机构各杆件的位移、速度和加速度表达式,并将其转化为适用于MATLAB仿真的矩阵数学模型。运用MATLAB/Simulink软件中Embedded MATLAB Function模块编写该机构中速度矩阵的M函数并结合其它模块对其进行运动学仿真。通过Simulink仿真可以获得该机构的运动曲线,直观地描述了机构的运动规律并为其动力学设计部分提供依据。     

基于运动连接的机构尺寸误差分析

介绍机构运动分析与误差分析的向量环路线性规划法,分析运用运动分析灵敏度进行误差分析的可能性,提出在机构误差分析模型中用基本运动连接元素(运动副)对尺寸误差进行等价替换,使误差分析向量环路线性规划法在ADAMS中实现.分析仿真过程中在误差等价替换运动连接中引入虚拟速度并逐一进行单步仿真,从而提取误差灵敏度.结果表明,误差分析的等价运动连接替换法实现了计算机辅助分析,解决了向量环路分析计算量繁琐的弊端,使机构误差分析简易可靠.     

基于洛毕达极限法则的机构奇异位置运动分析

提出了运用洛毕达极限法则分析机构通过死点或切换点的角速度或速比的新方法，并具体应用于具有切换点的GRASHOF neutral机构和GALLOWAY机构的运动分析，计算分析和实验结果证明：这两种特殊的平面双曲槽机构的运动周期是原动曲柄旋转二整周，而并非通常的一整周，发现当CALLOWAY机构的相对杆长差取很小值时，机构能输出具有超长近似停歇期和反向自锁特性的间歇运动，具有实用价值。     

System reliability analysis for kinematic performance of planar mechanisms

Based on the reliability and mechanism kinematic accuracy theories, we propose a general methodology for system reliability analysis of kinematic performance of planar mechanisms. The loop closure equations are used to estimate the kinematic performance errors of planar mechanisms. Reliability and system reliability theories are introduced to develop the limit state functions （LSF） for failure of kinematic performance qualities. The statistical fourth moment method and the Edgeworth series technique are used on system reliability analysis for kinematic performance of planar mechanisms, which relax the restrictions of probability distribution of design variables. Finally, the practicality, efficiency and accuracy of the proposed method are demonstrated by numerical examples.     

混合驱动平面2自由度七杆机构的奇异性分析

基于机构输入输出的速度Jacobian矩阵，提出了求解平面多环多自由度机构奇异位形的一般方法．利用这种方法详细分析了用于混合驱动器的平面2自由度七杆机构的4类奇异位形，得出了平面2自由度七杆机构的5种奇异位形，并讨论了它们各自的特点．提出了平面多环多自由度机构造免奇异位形出现的3种方法；基于平面单环N杆机构的可装配性，分析得出了避免这些奇异位形的几何条件．设计算例及仿真结果验证了上述结论．     

用优化法确定平面连杆机构的初始位置

本文采用优化法确定平面连杆机构的初始位置.当该法与迭代法结合使用时,可为平面连杆机构的运动分析提供一个十分有效而又简捷的方法.     

高副低代在滚子直动从动件平面凸轮机构运动分析中的应用

分析了滚子直动从动件平面凸轮机构,由凸轮的实际廓线求得凸轮的理论廓线.将滚子直动从动件平面凸轮机构转化成相应的尖顶直动从动件平面凸轮机构,然后运用高副低代的方法,把尖顶直动从动件平面凸轮机构转化成连杆机构进行运动分析.最后给出了一个验证算例.     

机构拓扑回路的自动生成

为了研究平面机构的计算机自动生成算法,采用了图论的理论与方法,根据平面机构的结构特点,提出了四点机构拓扑回路的分类问题,以及如何在每类回路上增加通路,进而成功地搜索出全部的机构拓扑回路。该文还提出了扩展点点邻接矩阵与扩展点边关联矩阵的概念,并利用这两个矩阵的扩展列与扩展行存储搜索过程中的信息,为进一步搜索提供了方向,从而提高了机构拓扑回路生成的效率。最后通过实例分析证明了这种计算机自动生成算法是快捷而可靠的。     

多模块构架式空间可展开天线背架的模态分析

为掌握多模块构架式空间可展开天线背架的固有振动特性,根据背架的结构特点,基于齐次坐标变换方法,建立了多模块背架的几何模型;运用有限元软件ANSYS建立了天线背架的有限元分析模型,利用子空间法对其进行了模态分析,得到了结构的前10阶固有频率和振型,分析了固有频率的变化规律及振型的特点;研究了结构参数对背架固有频率的影响规律,给出了提高一阶模态的方法.分析结果表明,适当增加上弦杆、下弦杆和斜腹杆的直径,减小拉索的直径可以提高背架的固有频率.该分析方法为天线背架的动力学研究及结构的优化设计提供了理论参考.     

向量式有限元桁架结构并行程序节点分配技术

结合向量式有限元(VFIFE)的计算规则以及桁架结构的特点,提出了一种并行程序节点分配机制.通过对桁架结构模型数据的分析,定义模型数据的分解规则,动态实现对模型数据的分解.依据分解的结果来动态划分并行计算的数据集,并且基于特定的并行计算框架完成并行计算.实例验证表明,该节点分配机制是有效的,并且极大地提高了计算效率.     

超高层结构伸臂桁架的承载力及刚度简化计算

对超高层结构体系中常用的伸臂桁架-单斜腹杆型式(N型)从桁架机制与刚架机制出发、依据伸臂桁架破坏模式建立了简化计算模型,揭示其受力机理.采用有限元模型对伸臂桁架的承载力和刚度指标进行了评估,得知斜腹杆是伸臂桁架主要的受力构件,对伸臂桁架整体承载力以及刚度均起着决定性作用.有限元计算值同简化模型计算结果较为接近,表明所提出的简化模型可以应用于伸臂桁架初步设计中的承载力及刚度的计算.