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铰接杆系的机构运动研究

陶亮  
【摘要】: 随着结构形式的不断创新与发展,传统的结构理论往往不能满足工程的需要。航天可展结构、攀达穹顶以及索穹顶等结构的出现,对机构理论的发展提出了要求。这些体系的初始形态往往是可变机构,其成型过程也都伴随着机构运动,传统的结构理论在这些问题的分析与模拟上存在着缺陷,必须采用机构理论才能进行比较准确的计算与模拟。本文在现有机构理论的基础上,对铰接杆系中的机构运动路径及分岔等问题进行了研究,丰富了现有机构运动相关理论和分析方法。 考虑到一般铰接杆系在从几何不稳定状态到几何稳定状态的运动过程中,其弹性变形很小,论文首先研究了不考虑弹性变形的刚性杆系机构运动路径分析方法。该方法从平衡矩阵理论出发,把机构位移分解为模态组合位移和杆长修正位移,并根据外力势能梯度确定机构位移模态的合理组合系数,从而模拟刚性杆系机构在外力作用下的运动路径。 论文进一步分析了考虑弹性变形的机构运动分析方法。利用平衡矩阵的广义逆,求解体系运动过程中的弹性变形,并耦合考虑弹性变形与机构位移,得到机构运动路径和杆件内力。基于上述方法,论文编制了相关程序,并对攀达穹顶顶升过程和简化的平面索穹顶张拉过程等算例进行了模拟。算例分析结果表明上述方法是行之有效的。 论文还对机构运动过程中出现的分岔现象进行了研究。考虑到机构运动分岔与奇异性理论有关,论文从奇异性理论出发,利用杆件的协调方程,对单自由度机构和两自由度机构的运动分岔进行了分析,并提出了通过追踪运动过程中的雅可比矩阵秩变化来判断分岔点的方法,从而有效分析了机构运动路径分岔问题。


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