基于静态性能指标的任意平面曲梁构型库研究

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柔顺曲梁机构依靠其自身形变传递运动,具有节省机构空间、可实现一体化加工、避免磨损、传动精度高等优点,得到设计者的普遍关注。在柔顺曲梁机构的设计过程中,除了要满足自由度需求,还应使结构具备优良的静力学性能。本文基于等几何法,构建具有静力学性能指标的平面柔顺曲梁构型库,为设计人员提供满足自由度与性能需求的平面柔顺曲梁,在设计初期便提高结构性能,优化了设计过程。通过非均匀有理B样条曲线(NURBS)造型方法,建立具有几何参数化的模型,以NURBS基函数构建有限元分析方法中的形函数,根据最小势能原理推导出平面柔顺曲梁的一般刚度矩阵,在线性分析的基础上,考虑到应力与应变的非线性关系求得切线刚度矩阵,利用混合法求解非线性方程。结合实例,分别用等几何法和有限元法对一般平面柔顺曲梁进行静力学线性分析与几何非线性分析,将两种分析方法的结果对比,验证本文中等几何方法的准确性。结合等几何法,推导出曲梁几何参数与刚度比、解耦性、伴随位移等静力学性能指标之间的映射关系,使每种曲梁自身具有期望性能,建立具有静力学性能指标的构型库,按照自由度种类的不同对构型库进行分类,并基于遗传算法对曲梁单元进行优化,研发平面柔顺曲梁构型库生成系统软件,方便使用者根据曲梁的设计需求挑选出合适的平面柔顺曲梁。为了验证构型库的准确性与实用性,将建立的构型库与自由度-约束拓扑构型综合法相结合,设计并制造出一种具有负泊松比性能的平面柔顺曲梁机构,对该机构分别进行等几何理论分析以及有限元仿真,计算出结构的泊松比,与实验测出的泊松比进行比较,发现理论值、仿真值与实验值基本吻合,证实了本文所提出的平面曲梁构型库的实用性与可靠性。本文所提出的具有静力学性能的平面柔顺曲梁构型库,可以广泛应用于各领域的柔顺曲梁结构设计中,如柔性微位移平台设计、柔性仿生结构设计、柔性医疗器械设计等。
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