基于絕對節(jié)點坐標(biāo)法的雙桿柔性機械臂建模與分析.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，柔性長臂機械臂、柔性航天器等柔性多體系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到航空航天、工業(yè)制造等多個領(lǐng)域。在工作過程中，這類系統(tǒng)往往需要做大范圍空間運動。研究表明，傳統(tǒng)梁理論基于小位移小變形假設(shè)，其建模方法對于這些柔性多體系統(tǒng)不能得到動力學(xué)和運動學(xué)問題的準(zhǔn)確結(jié)果。絕對節(jié)點坐標(biāo)法（Absolute Nodal Coordinate Formulation，即ANCF)的誕生為多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究提供了新思路、新方法，開創(chuàng)了多體系統(tǒng)動力學(xué)的新局面。

2、
　　絕對節(jié)點坐標(biāo)法的優(yōu)勢在于：其研究對象均視作等參單元，推導(dǎo)建立的動力學(xué)方程組的系統(tǒng)質(zhì)量矩陣是常數(shù)矩陣，并且沒有科氏力項和離心力項。ANCF相比于傳統(tǒng)方法，能更精確的描述多體系統(tǒng)動力學(xué)問題，尤其適用于大變形大位移的柔性系統(tǒng)動力學(xué)問題的求解。本文采用ANCF研究雙桿柔性機械臂變形和截面剪切翹曲變形的規(guī)律，主要工作內(nèi)容如下：
　　(1)介紹了絕對節(jié)點坐標(biāo)法現(xiàn)有的多種梁單元模型，對基于絕對節(jié)點坐標(biāo)法的動力學(xué)模型的建立進行了系統(tǒng)的

3、概述。
　　(2)提出了一種新的絕對節(jié)點坐標(biāo)法模型。根據(jù)提出的梁單元上任意點的位移場，推導(dǎo)出了新的形函數(shù)表達(dá)式，可以捕獲梁單元橫截面的剪切翹曲變形。以柔性單擺和懸臂梁為例，仿真得到梁單元中性軸各參數(shù)、端點位移以及橫截面剪切翹曲變形的變化規(guī)律。計算結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)、-、有限元軟件Abaqus分析結(jié)果對比，結(jié)果表明：新模型不僅能獲得梁單元準(zhǔn)確的剪切變形，還可以獲得梁單元橫截面的剪切翹曲變形。
　　(3)建立了雙桿柔性機械臂的多體系

4、統(tǒng)動力學(xué)模型。介紹了基于絕對節(jié)點坐標(biāo)法的多體系統(tǒng)典型約束表達(dá)方式和動力學(xué)方程求解算法，仿真計算了柔性雙擺和旋轉(zhuǎn)梁的運動過程，通過與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果對比，驗證了建立的動力學(xué)方程的正確性。利用新模型，以雙桿機械臂為研究對象，對機械臂舉起重物的工作過程進行仿真；計算了三種橫截面形狀的變形，并與Abaqus得到的數(shù)值結(jié)果進行對比；進一步對機械臂抓舉重物失敗后的運動過程進行仿真，并與正常抓舉過程對比，結(jié)論認(rèn)為：T型截面變形最小，適用于構(gòu)建長臂機械臂。