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柔顺机构作为机构学中一个新的研究领域,正在引起人们更广泛的关注。尽管在运动学研究方面取得了不少进展,但是仍缺乏对其动力学特性进行分析的有效方法。如何通过有效手段使动力学问题简单化并尽快认识和改善柔顺机构动力学特性是一个拯待解决的问题。本文主要研究柔顺机构动力学模型、频率特性分析以及在机构优化设计过程中的若干问题。
第一,以柔性杆为研究对象,充分考虑其大变形特性,根据梁变形理论,结合伪刚体模型所得边界条件,建立柔性杆的变形曲线,进而推导柔性杆的动能;基于功能转化原理,推导柔性杆的变形能:在此基础上,建立柔顺机构的动力学模型。最后,通过算例表明该动力学模型的可行性与优越性。柔顺机构动力学模型的建立为进行动力学特性分析奠定了基础。
第二,基于所建动力学模型,研究平行导向柔顺机构的频率特性。主要讨论柔性杆截面参数、几何结构参数以及材料性能参数对系统固有频率的影响,揭示了系统固有频率随截面参数、几何结构参数以及材料性能的变化规律,对柔顺机构的性能改进、设计高性能的柔顺机构具有重要的指导意义。
第三,探讨了柔顺机构设计过程中的若干问题。在已有成果的基础上,提出了柔顺机构的设计准则,研究柔顺机构的运动综合问题,提出了柔性杆材质选择原则;从系统固有频率、静力学特性、疲劳强度及质量轻型化等方面,探讨了柔性杆截面参量的约束问题;以系统固有频率和疲劳强度为目标,运用目标规划法对柔顺机构截面参数优化设计进行研究;最后,提出柔顺机构的一般设计流程。