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基于正负刚度叠加的柔顺恒力平台构造机理及力学特性研究

张杰  
【摘要】:柔顺恒力机构可以在不使用外部传感器和执行器的情况下实现恒力输出的机构,并依靠柔性杆件的变形实现运动、力和能量的传递与转换,具有运动副处无摩擦与冲击、机构运动精度高、利于整体加工以及易于小型化的优点,在微机械系统、精密机械及医疗机械等领域中有着广泛的应用。论文基于具有正刚度特性的柔顺梁和具有负刚度特性的柔性双稳态梁,构造一种新型柔顺恒力机构。主要工作如下:阐述了该柔顺恒力机构的基本设计计算方法。利用伪刚体模型建立具有正刚度特性U型柔顺直梁的等效弹簧刚度,介绍了柔顺双稳态梁的力-位移理论模型,得到其局部负刚度大小的计算方法,进一步利用正负刚度叠加原理,得到具有零刚度特性的柔顺平台设计计算方法,并利用有限元工具验证该柔顺恒力机构的设计计算方法。以获得理想恒力区域和恒力大小为目标,优化柔顺恒力平台结构参数。考虑柔顺平台整体结构尺寸,初选U型柔顺直梁和柔顺双稳态梁的结构参数取值范围,并加以离散化。利用有限元工具计算并分析各离散化结构参数对应力-位移关系曲线,优化组合柔顺梁各结构参数,以得到理想恒力区域和恒力大小。研究柔顺恒力平台的动态特性。构造该柔顺平台的三维模型,基于有限元分析方法对其模态、动态应力应变、谐响应以及疲劳强度等特性进行分析,为该柔顺平台的实际应用提供必要的参考。基于正、负刚度相互叠加以构建柔顺恒力平台的设计原理,拓展了柔顺双稳态机构的应用范围,丰富了柔顺机构的设计方法。图[62]表[7]参[80]


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