整体式少自由度柔性/全柔顺并联机构优化设计及仿真对比研究

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微/纳制造技术作为衡量一个国家在制造水平方面的重要标志,已应用于国防、工业控制、精密制造加工、电子制造、光学、信息、医疗、航空等各领域,在促使科技的进步、推进产业的发展、带动经济的增长、及保障国防安全等方面发挥着重要作用。微/纳机构包括微/纳操作机构和微/纳尺度机构,传统的表现形式为柔性机构。  通常的柔性机构在微/纳领域也存在着刚度小,承载能力不大等不足;柔性并联机构综合了柔性与并联的特点,弥补了刚度小,承载能力不大等缺点。目前所研究设计的柔性并联机构,只是经验性的将柔性和并联相结合,是一种形式上的将二者融合于一个机构中,最终得出柔性并联机构仍然有铰链存在于结构。因此研究出科学、合理、简单、实用的创新设计方法及相关理论应用于无铰链的全柔顺并联机构研究设计为热点和当务之急。  本文以平面二自由度及3-RPR型三自由度全柔顺并联机构为研究对象,基于柔性并联机构主流方法伪刚体法及拓扑优化方法对其进行设计研究,并分别应用Hyperworks对所设计的平面同构型柔性/全柔顺并联机构进行仿真,验证了拓扑优化理论应用于平面全柔顺并联机构构型设计的科学性、简易性和有效性。本文主要做了下面的研究工作:  (1)以平面二自由度(二平移)并联机构为本体,首先就本体展开微运动学分析,并以主流设计方法伪刚体法设计出相应的柔性并联机构,其次引入一种新型的拓扑优化设计方法设计出相应的全柔顺并联机构;最后对两种方法所设计的结果,应用有限元软件进行仿真分析从而验证了拓扑优化设计方法的科学性,简易性,及有效性。  (2)以平面3-RPR型平面三自由度并联机构为本体,首先对3-RPR型平面三自由度并联机构进行微运动学分析,并以主流设计方法伪刚体法设计相应的柔性并联机构,然后引入一种新型的拓扑优化设计方法设计相应的全柔顺并联机构,并对两种方法设计出的机构进行加工,最后对两种方法所设计的结果应用有限元软件进行仿真分析从而验证了拓扑优化设计方法的简易性,科学性,及有效性。  (3)针对本文中平面二、三自由度柔性/全柔顺并联机构的结果,在其有限元模型基础上分别对其进行约束模态分析,可得到平面二、三自由度柔性/全柔顺并联机每个机构各阶模态下的固有频率及其固有振型。  本文针对平面二自由度及3-RPR型平面三自由度并联机构为本体,分别设计其伪刚体柔性及拓扑优化全柔顺并联机构,并分别进行静力学仿真分析验证了拓扑优化方法应用于全柔顺并联机构的科学性和简易性。选择3-RPR型平面三自由度并联机构的两种设计所得进行加工,最后对两种本体的柔性/全柔顺并联机构进行约束模态分析得到其固有频率及固有振型。
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