新型三构态变胞机构设计与动态性能研究.doc

新型三构态变胞机构设计与动态性能研究近年来,变胞机构发展成为机构学中一个新兴的研究方向,因其能够在不同工作环境和不同功能需求情况下进行自我重构,以实现机构的空间结构变形,进而备受众多研究工作者的关注。本文以一种能够在三自由度、两自由度和单自由度构态间进行灵活变换的新型三构态变胞机构为研究对象。首先,基于图论法对三活动度十连杆机构进行数综合,通过对所得构型进行筛选,选定其中一构型作为原始构型,并通过杆件的增减和运动副的缺失进行构型变换,设计出一种新型三构态变胞机构。通过运用旋量法对变胞机构各构态的自由度进行计算,并对此变胞机构进行尺度综合,分析得到机构系统各杆件间的约束关系,之后建立该变胞机构的三维模型。然后,运用闭环矢量法对变胞机构各构态输出端的位置、速度和加速度的正、逆解进行分析计算,通过雅克比矩阵对变胞机构各构态进行奇异位形分析,又结合隐函数存在定理求解出该变胞机构工作空间边界条件。通过数值仿真验证了以上求解结果的正确性,并根据机构的奇异位形和边界条件仿真得到该变胞机构各构态的有效工作空间。接着,依据各杆件质心位置和质心速度表达式,计算出机构各杆件的动能和势能,通过求和得到新型三构态变胞机构的动能和势能,运用Lagrange法构建变胞机构的刚体动力学方程,对其求解得到其解析解并运用Matlab软件进行仿真分析。最后,在求解出梁单元体质量矩阵和刚度矩阵的条件下,建立起此变胞机构各构态的有限元模型,并通过机构系统中各梁单元体质量矩阵和刚度矩阵分别求和来获得此变胞机构各构态系统的质量矩阵和刚度矩阵。再运用有限元法进行弹性动力学建模,通过纽马克(Newmark)法求解弹性动力学方程,并利用Matlab进行数值仿真分析。通过以上对该新型三构态变胞机构在运动学、动力学等方面的研究,为其在工程实践方面的应用打下坚实的理论基础。