超彈性柔性鉸鏈的建模和優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、柔性鉸鏈作為一體化的運(yùn)動(dòng)副，被廣泛應(yīng)用于微定位裝置、壓電致動(dòng)器、位移放大裝置、天線指向等具有高精度需求的場(chǎng)合。相比于傳統(tǒng)的剛性運(yùn)動(dòng)副，其有效地避免機(jī)械裝配過(guò)程中存在間隙，以及使用過(guò)程中的摩擦、磨損等問(wèn)題，因此極大地提高了機(jī)構(gòu)的精度和分辨率。然而，普通金屬制備的柔性鉸鏈由于材料變形能力的限制，使其在大范圍運(yùn)動(dòng)空間方面的應(yīng)用受到了制約。為了解決上述問(wèn)題，本文采用形狀記憶合金制備柔性鉸鏈，利用材料的超彈性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)

2、展鉸鏈的建模及優(yōu)化等工作。
　　為了描述形狀記憶合金的超彈性效應(yīng)，本文基于Brinson本構(gòu)模型提出了一種簡(jiǎn)化的、適合有限元計(jì)算的分段線性模型，并結(jié)合共旋坐標(biāo)法建立超彈性柔性鉸鏈的靜力學(xué)模型，兼顧了由柔性鉸鏈大轉(zhuǎn)角、大應(yīng)變引起的幾何非線性與材料非線性。在此基礎(chǔ)上，提出了三項(xiàng)評(píng)價(jià)超彈性柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)性能的指標(biāo)（轉(zhuǎn)動(dòng)能力、轉(zhuǎn)動(dòng)偏差及柔度），對(duì)比分析了不同截面（橢圓型、雙曲線型、拋物線型）柔性鉸鏈的性能，最終選擇性能更優(yōu)的橢圓型柔性鉸鏈作

3、為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。ABAQUS有限元分析表明共旋坐標(biāo)法建立的模型誤差小于3％，從仿真角度驗(yàn)證了理論模型的正確性。
　　在建立超彈性柔性鉸鏈剛度模型的基礎(chǔ)上，采用拉格朗日方程建立柔性鉸鏈的動(dòng)力學(xué)方程，并結(jié)合牛頓-拉夫遜迭代法與Newmark法求解該非線性方程。采用ABAQUS驗(yàn)證了建立的動(dòng)力學(xué)模型，并針對(duì)超彈性柔性鉸鏈的動(dòng)態(tài)特性，從阻尼作用、超彈性變形以及共振響應(yīng)三個(gè)方面進(jìn)行分析。結(jié)果表明，相比于普通金屬制備的柔性鉸鏈，超彈性柔性鉸

4、鏈在不僅運(yùn)動(dòng)范圍更大，而且其自身在振動(dòng)抑制與防止共振方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　基于已建立的靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)橢圓型超彈性柔性鉸鏈的尺寸參數(shù)開(kāi)展多目標(biāo)優(yōu)化，以轉(zhuǎn)動(dòng)能力、轉(zhuǎn)動(dòng)偏差、柔度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的一階固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)，建立多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，采用受控的精英保留型遺傳算法對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，選出全局目標(biāo)下的最優(yōu)解。
　　最后采用鎳鈦合金加工了三種不同截面的超彈性柔性鉸鏈開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；贛ATLAB圖像處