基于四杆机构单元的柔性铰链设计与尺寸优化

针对柔性铰链存在的转动角度小和径向漂移大等问题,进行了大转角和高精度柔性铰链设计。利用四杆机构中曲柄摇杆机构的转角放大特性,以固化的四杆机构为变形模块,通过摇杆的小变形实现铰链的大转角运动。柔性铰链中固化的四杆机构为超静定结构,基于超静定结构理论进行了柔性单元的受力分析,并建立了柔性铰链的刚度模型,实现柔性铰链的分析和设计。根据设计方案选取设计变量,基于理论推导得到刚度建立目标函数,根据性能和几何边界建立约束条件,利用遗传算法对柔性铰链尺寸进行优化,并通过ANSYS进行了特定尺寸下柔性铰链变形和应力分析,验证了优化结果的正确性。     

双复合平行四杆机构的研究

对柔性铰链机构中导向部分所用的平行四杆机构、复合平行四杆机构、双复合平行四杆机构在静刚度、非线性度等方面进行了对比,着重对双复合平行四杆机构进行相关的参数分析和有限元计算。设计相关实验,验证了双复合平行四杆机构有很好的传动特性。     

发动机试验台测力机构柔性梁设计研究

柔性梁的刚度性能影响风洞盒式应变天平的精准度,是发动机试验台测力试验数据精确可靠的重要保证,而柔性铰链更是柔性梁设计的关键所在。首先,借助有限元分析方法对四种典型柔性铰链进行计算分析,优选出综合刚性最好的柔性铰链形式;其次,基于选择的柔性铰链形式,研究三个关键结构参数对铰链刚度的影响;最后,设计五种不同厚度的柔性梁进行有限元分析,并加工实物模型进行加载试验验证。结果表明:铰链宽度b=40mm、半径R=5mm、最小厚度t=4mm时双圆弧柔性梁的综合刚度最好,且侧向柔度大,轴向刚度优;有限元计算值和试验值吻合良好,误差小于5%,表明将有限元方法运用于柔性梁的设计优化是可行、可靠的。     

柔性铰链放大式超磁致伸缩致动器磁弹耦合模型

针对超磁致伸缩致动器(GMA)输出位移有限的问题,采用柔性铰链放大机构放大GMA输出位移,利用材料力学理论、拉格朗日动力学方程和有限元法对柔性铰链放大机构的位移放大倍数、动力学特性进行了分析.结合Jiles-Atherton(J-A)模型和二次畴转模型建立了柔性铰链放大式GMA的磁弹耦合模型,并在软件AMESim&Simulink联合仿真环境中进行了数值仿真.制作了柔性铰链放大式GMA样机,对其进行了动态性能实验,仿真和实验表明:经过放大,柔性铰链放大式GMA输出位移可以达到0.4mm;频带宽超过100Hz;所建立的磁弹耦合模型是有效的.      

柔性八杆对称联动定位机构及系统的研究

以柔性铰链为弹性导轨、压电陶瓷为驱动器，提出了一种新颖的纳米级柔性八杆对称联动定位机构，给出了其刚度公式和动力学模型，结合激光干涉仪微位移检测装置，设计并研制了微机控制的数字闭环控制纳米定位系统。实验表明：该纳米定位系统行程 10μ m，定位精度优于± 0.03μ m，定位分辨率 3nm，最大定位时间 40ms。     

一种新的基于柔性悬臂梁的柔性机构设计方法

微定位器是精密加工、纳米技术的重要组成部分,柔性机构则是微定位器的核心部件。本文利用有限元分析软件ANSYS对传统的基于柔性铰链的柔性机构和一种新的基于柔性悬臂梁的柔性机构进行了对比分析。分析结果表明,在相同的外形尺寸和作用力下,新柔性机构的输出位移增加了一倍,最大应力减少了23%。最后给出了一种新的基于柔性悬臂梁的柔性机构的设计方法,该方法可以减少设计参数并大大减少计算量。     

四杆机构转折圆及其应用

介绍了转折圆的运动学特性，论述了求铰链四杆机构的转折圆，以及利用转折圆进行铰链四杆机构近似直线导向设计的方法。     

空间站太阳翼伸展机构屈曲载荷分析与试验研究

针对空间站大面积柔性太阳电池翼整翼稳定性设计中的伸展机构屈曲载荷分析问题,以三跨斜拉索张紧力作用的盘绕式伸展机构为研究对象,采用求解轴压与斜拉索张紧力组合载荷作用下结构系统零固有频率的分析方法获得伸展机构临界屈曲载荷,并设计和开展相应试验,结果表明三跨伸展机构临界屈曲载荷仿真与试验结果吻合较好,验证了该方法求解伸展机构临界屈曲载荷的合理性。     

采用冗余驱动提高并联机床精度的研究

 由于并联机构铰链间隙的存在,使并联机构的实际精度和刚性明显减小。本文论述了采用冗余驱动技术改善并联机构精度的研究。首先分析了可以将铰链间隙对并联机构运动误差的影响转化为杆长偏差对机构误差的影响;然后通过分析得出 :由于铰链间隙的影响,并联机构运动空间是空间几个球环的交集,采用数值法,利用球坐标数值积分求出误差空间的体积大小;最后对具有相同结构参数的非冗余和具有冗余驱动的两种并联机构,在同样的工作空间内分别计算了误差分布,得出采用冗余驱动技术可以有效减小因铰链间隙而引起的并联机构运动误差的结论。     

二自由度平板折展柔性铰链的分析及优化

为提高平板折展机构(LEMs)的灵活性,提出了一种能实现平面内及平面外转动的二自由度柔性铰链。首先,综合椭圆柔性铰链与LET柔性铰链的结构特点,设计了二自由度平板折展柔性铰链;其次,利用弹簧模型推导了该铰链两个方向的转动等效刚度计算模型,并通过设计实例的理论计算与有限元仿真分析对比,验证了两个理论模型的正确性;然后,探讨了各结构参数对铰链两种转动刚度的影响;最后,以提高二自由度平板折展柔性铰链的转动性能为目标,建立了其优化设计模型,并采用自适应粒子群优化算法对该铰链的结构参数进行了优化。优化结果表明:铰链y轴方向转动刚度下降了83.60%,z轴方向转动刚度下降了92.73%,二自由度平板折展柔性铰链两个方向的转动性能都得到了极大的提升,优化结果完全符合预期。     

基于空间RURS机构的三维仿生扑翼机构设计与分析

为实现仿昆虫翼尖的空间“8”字型运动轨迹，设计了一种基于空间revolute-universal-revolute-spherical(RURS)四杆机构的扑翼机构，通过单自由度驱动即可输出三维的空间“8”字轨迹。运用Denavit-Hartenberg参数法建立了空间四杆机构的运动学模型，利用遗传算法对机构进行了优化，得到了利于扑翼飞行的机构参数。基于该空间四杆机构的优化结果，建立了一种微型的扑翼机构虚拟样机，通过ADAMS仿真得到其输出运动并验证了运动学理论计算的正确性。所设计的扑翼机构扑动幅度达到149.8°，扭转角度达到29.9°，且“8”字型扑动规律与昆虫翅膀的运动更为相近。扑翼机构的最大尺寸不超过5.8cm，仿真发现的时间非对称扑动对气动性能有一定提升，对于微型化、轻质化、高效化扑翼飞行器的研究具有重要的参考价值。      

Structural design and model fabrication of cable-rib tensioned deployable parabolic cylindrical antenna

Deployable mechanisms with light weight and high storage ratio have received considerable attention for space applications. To meet the requirements of space missions, a parabolic cylindrical deployable antenna based on cable-rib tension structures is proposed and verified by a physical prototype. The parabolic cylindrical antenna adopts simple parallel four-bar mechanisms to construct the basic deployable unit, and the cylindrical direction dimension can be easily extended by modularization, which has obvious advantages in storage ratio and area density. Considering the complexity of the entire antenna structure design, including cable networks and flexible trusses, the form-finding design optimization model of a parabolic cylindrical antenna is established using the force density sensitivity method, and then the kinematics analysis of the deployable mechanism is carried out. Finally, a single-module prototype with a deployable diameter of 4 m × 2 m was designed and fabricated. The results of the ground deployment process test and surface accuracy measurements show that the antenna has good feasibility and practicability.     

一种V形梁结构的双稳态惯性开关

 利用V形梁结构的双稳态跳转特性,设计了一种具有显著阈值特性的双稳态惯性开关,并建立了阻尼力、惯性力、弹性力及触点碰撞力等多力耦合作用下的开关动力学模型。开关结构主要由触点、弹性元件及其支撑的惯性质量块构成。动态仿真及实验结果表明开关具有良好的阈值特性。采用离心测试装置测得开关闭合阈值为9.6g,与设计值10g的偏差仅为4％,断开阈值为-3.1g,开关响应时间低于5 ms, 闭合后在零惯性力作用下仍能使开关保持闭合状态,验证了V形梁结构惯性开关设计理论的有效性和可行性,因而在航空、航天及汽车电子安全领域具有广阔的应用前景。     

复杂空间四连杆传动系统的一种算法

1.引言 空间四连杆机构的运动关系是一个空间几何关系。确定四连杆相互位置时,存在着一球面与圆弧相交或两圆弧相交等情况,它们的运动与几何关系都以一些二次联立方程式表达。求解与根的判定都比较复杂,有时还要用迭代方法。本文所介绍的方法采用空间坐标变换,将空间四连杆机构的运动点转换到特定的平面内,利用平面三角形的几何关系求解。所用的方法都是典型的,简便易行,特别适用于计算机计算。     

转动壳体外压屈曲的有限元分析

由于转动离心力的影响,壳体的屈曲临界压力随转速的提高而升高。本文推导了转动壳体线性屈曲的有限元公式,并用DMAP语言编制相应的程序修改MSC/NASTRAN的解题步骤考虑离心力完成了分析。还利用MSC/NASTRAN的几何非线性分析功能完成了有初始几何缺陷转动壳体的有限元分析,计算后屈曲的载荷—变形曲线,得出不同转速下的缺陷敏感度曲线。     

光波纳米推进技术中的表面等离激元增益光镊作用机理

为研究天线不同结构对表面等离激元（SPP）增益光镊作用的影响,建立天线-基底的电磁波传输耦合激元电场触发光梯度力的数值模型,并利用数值模型分析天线不同结构对SPP电场的影响规律,同时,这种电场变化规律对光镊增益有直接的数学关系,基于上述物理机制,获得不同天线结构对光梯度力产生的优化策略。为验证上述物理机制与优化策略的有效性,开展纳米颗粒的粒子图像测速（PIV）试验,天线材料为银,基底为二氧化硅,纳米颗粒为银,试验能够完好地观测到纳米颗粒在天线通道的运动情况。结果表明,光梯度力的增益机制在于激元电场强度和梯度两方面因素,前者随天线不对称性增强而先增大后减小,后者呈现一直增大趋势;纳米颗粒推动作用力的计算误差约为5.5%~13.8%,且试验值与计算值的趋势相符,一方面验证本文研究机理及优化策略的有效性,另一方面证明PFP技术的原理可行。     

复合材料机身壁板屈曲优化设计

针对受压加筋曲壳的后屈曲特点,提出了一个后屈曲载荷的快速计算方法。用一部分有效蒙皮代替蒙皮失稳后的承载能力,利用欧拉失稳模型估算后屈曲失稳临界载荷。以外形参数给定的机身加筋壳结构为例,基于蒙皮局部失稳的简化模型,利用二次序列法优化求解结构的最佳布局。然后按照之前提出的后屈曲载荷的快速计算方法,设计筋条的截面刚度,最终得到最轻的机身结构质量。     

轻型飞机副翼操纵系统中改进的RSSR机构研究

精确控制副翼偏转角度对提高轻型飞机的操纵性能具有重要意义,将改进的空间四连杆机构——RSSR应用于轻型飞机副翼操纵系统的传动末端,采用方向余弦矩阵法建立RSSR机构运动的数学模型,并推导出该机构的位移方程,在ADAMS软件中对该机构进行参数化建模,确定目标函数、约束函数和驱动函数;优化算法选用广义简约梯度算法,对敏感程度较高的设计变量进行优化设计。结果表明:RSSR机构中各点的相对位置对副翼偏转角度影响较大,副翼上下偏转角度的相对误差分别从初始的2.35%与5%降低为0.100 5%与0.103 3%,采用RSSR机构可有效提高对飞机副翼偏转角度的控制精度。研究成果最终应用于某五座复合材料轻型飞机样机中。     

应用电磁弹射器的舰载机起飞性能分析

针对应用电磁弹射器的舰载机弹射起飞过程,综合考虑了电磁弹射器的推力、舰载机前起落架突伸力和载舰的运动,建立了舰载机弹射起飞的数学模型,并据此,分析了上述各种因素对舰载机弹射起飞安全性的影响,计算得到在满足舰载机弹射起飞安全准则的条件下,各种起飞因素应该满足的适应范围。研究分析表明：在风浪较大的恶劣天气条件下,通过适当地增加电磁弹射器的电磁推力和前起落架的突伸力,可以有效抑制舰载机的航迹下沉现象,确保舰载机的安全起飞过程。