多自由度平面柔性铰链的动态等效刚度计算方法研究

摘要

在刚性机构中，运动副间隙带来的运动轨迹偏离和关节碰撞冲击等问题严重影响着机构的工作性能和使用寿命，尤其是刚性隔振机构，不仅无法正确阻隔外部激励，反而会将自身产生的二次冲击传递给机械系统。而采用柔性铰链替代传统运动副的柔顺机构则能有效地降低此方面的影响，正确地传递运动和力。其中， LET (Lamina emergent torsional)平面柔性铰链作为一种由二维金属薄板平面加工而成，实现三维运动的新型柔性铰链，在拥有传统柔性铰链优点的同时进一步简化了其结构。目前关于新型柔性铰链的研究多集中在单一转动副的实现及其结构性能优化，针对多自由度运动副仍采用传统柔性设计方法，尚未有构型轻便的多自由度铰链一体化解决方案。由此，有必要对多自由度的新型平面柔性铰链展开进一步的研究工作。 本项研究工作在建立两种新型平面柔性铰链的基础上，围绕新铰链的构型设计、动态刚度及运动特性等问题展开了研究工作，并对其在 6D0F并联隔振平台的应用进行了探讨，研究工作概况与取得的创新性结论如下： （1)针对平面柔性铰链多为单自由度转动副的问题，通过扩展LET铰链运动形式，提出了一种新型平面柔性虎克铰；通过铰链各方向柔度的分析比较，验证了柔性虎克铰的转动自由度；建立了铰链动态的等效刚度理论计算模型；通过大量重复仿真试验揭示了大变形下非线性的刚度变化规律，并借助Gauss拟合给出了近似理论公式；在分析了各结构参数对铰链刚度变化影响的基础上探讨了平面柔性虎克铰的工作性能特点，为铰链的进一步应用提供了理论依据。 （2）为整合现有柔性球铰方案的自由度，以复合变形的方式实现原球铰工作方式，提出了一种等效球铰运动的平面柔性球铰；通过对螺旋薄片工作中各部分的变形情况进行分析，推导了铰链动态的等效刚度理论计算公式；针对铰链在不同工作角度下刚度值波动较大的情况，对铰链结构进行进一步优化，优化结果表明：采用3个螺旋薄片组合的新结构下，组合刚度值方差极小，各向刚度值稳定，与原球铰的工作特性最为接近。 （3)将本研究所设计的两种平面柔性铰链引入Stewart平台形成新的6DOF并联隔振平台，采用ADAMS、ANSYS联合仿真对新平台进行刚柔耦合动力学分析，由新平台的传递率可知，新平台工作正常，所设计铰链在应用中的运动状态与理论分析一致，满足使用要求。同时对比了含运动副间隙的原刚性铰链，验证了平面柔性铰链在满足运动要求的同时能有效避免刚性铰链运动副间隙带来的传递率突变的影响。

目录

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的主要问题分析

1.4 本项研究工作的意义

1.5 本论文研究内容

第2章 平面柔性铰链相关特性的基础理论简介

2.1 引言

2.2 平面柔性铰链的自由度分析方法

2.3 平面柔性铰链的等效刚度理论

2.4 平面柔性铰链变形的数学描述

2.5 本章小结

第3章 基于动态等效刚度的平面柔性虎克铰建模与分析

3.1 引言

3.2 平面柔性虎克铰设计与自由度分析

3.3 平面柔性虎克铰的动态等效刚度分析

3.4 动态等效刚度模型的有限元仿真验证

3.5 平面柔性虎克铰的动态刚度特性分析

3.6 本章小结

第4章 三螺旋平面柔性球铰的动态刚度分析与优化问题研究

4.1 引言

4.2 平面柔性球铰设计与运动描述

4.3 平面柔性球铰的动态等效刚度分析

4.4 动态等效刚度模型的有限元仿真验证

4.5 平面柔性球铰的动态刚度特性分析与优化

4.6 本章小结

第5章 基于平面柔性铰链的6DOF并联隔振平台及其隔振性能仿真研究

5.1 引言

5.2 隔振性能的评价指标

5.3 平面柔性虎克铰振动仿真分析

5.4 平面柔性球铰振动仿真分析

5.5 两种柔性铰链的横向对比及 6DOF柔顺并联隔振平台

5.6 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 参加科研项目情况