6-SPS台体型并联机器人工作空间及转动能力研究

提出一种评价并联机器人实现位置和姿态能力的性能指标。选用局部坐标系和球面副的关节转角描述了动平台的位姿,探索了工作空间的边界,以动平台在工作空间内能实现的最小可达章动角评价并联机器人的转动能力,揭示出并联机器人工作空间体积及转动能力随机构结构尺寸的变化而变化的规律。

负弯矩作用下钢-混凝土组合梁转动能力计算

首先建立了非线性有限元数值模型,得到了作者前期有关组合梁试验数据的验证.然后,应用该可靠的有限元模型,进行了大量算例的参数效应分析,研究了端部弯矩比、力比、腹板高厚比、翼缘宽厚比、受压翼缘侧向长细比、残余应力分布方式、混凝土与钢梁之间的连接程度等7种参数对组合梁转动能力的影响规律.分析表明:除了连接程度对转动能力的影响较小外,其他参数都具有重要的影响.最终,提出了考虑上述影响参数的组合梁转动能力计算公式,供工程设计应用.

微柔性铰链转动能力和精度特性研究

对柔性铰链的转动能力和精度特性等方面进行了理论分析和研究,给出了柔性铰链的柔度矩阵和精度特性矩阵的计算公式,得到表示柔性铰链转动能力的变形量方程和表示精度特性的位移方程。用VC++实现了相应的参数化程序。提出了铰链内各柔度间的比值概念,为定量地比较柔性铰链的性能提供了依据。并给出了两种MEMS柔性铰链的分析实例。

预应力组合梁负弯矩作用下梁端转动能力研究

对组合梁施加体外预应力,可有效提高截面的开裂弯矩,然而预应力的施加降低了板件的屈曲临界应力,减小了截面的转动能力。考虑局部屈曲的影响,对体外预应力组合梁进行了有限元非线性稳定分析,计算结果与试验实测值吻合,通过改变截面参数对27组组合梁在不同综和力比,不同翼缘宽厚比,不同腹板高厚比,不同剪跨比下的转动能力进行了计算,研究了影响转动能力的长细比参数,回归计算转动能力、计算参数和计算公式。研究表明:文中提出的长细比参数和公式与模拟结果相关程度高,形式简单,可以用来计算Ⅰ、Ⅱ类组合梁的转动能力。

钢筋混凝土连续梁塑性铰转动能力的计算

在考虑塑性的结构分析中,结构破坏标志是结构中出现了足够多的塑性铰,结构变成可变体系,从而破坏。因此,结构中出现的第一个塑性铰必须有足够的转动能力,以保证在继续加载后,其他截面也出现塑性铰。利用有限元法对钢筋混凝土连续梁的塑性铰转动能力进行计算,以确定结构出现的第一个塑性铰有足够的转动能力。

平端板连接半刚性梁柱组合节点的转动能力

本文在现有研究成果基础之上,针对连接分别承受正、负弯矩作用的情况,给出了平端板连接梁柱组合节点转动能力的计算方法,考虑了钢筋的伸长变形、螺栓的伸长变形、栓钉的滑移变形、混凝土楼板的压缩变形等因素。利用本文给出的方法计算得到的连接转角,是组合节点转动能力的下限值。

基于一种1T2R并联机构的转动能力分析方法

并联机构的工作空间与转动能力是评价并联机构工作能力的重要指标,目前对于并联机构大多数是在耦合状态下研究机构转动能力。以三自由度2-SPS/PRR并联机构为例,分别对并联机构耦合状态与解耦状态下的转动能力进行分析。基于方位特征集理论对机构进行方位特征集分析,基于封闭式量法对机构进行运动学分析,求解机构位置逆解;基于并联机构运动学逆解,使用极限边界搜索法分别对耦合状态和解耦状态下的转动能力进行分析,并将二者进行对比从而实现相互转换。提出在耦合状态下求解工作空间中某点转动能力的新方法。

4自由度3T1R并联机构工作空间与转动能力分析

以四自由度3TIR并联机构为研究对象,采用方位特征集理论对3TIR并联机构进行机构的拓扑特性分析,验证得到机构的自由度以及运动特性。建立机构的运动学逆解方程,提出一种新型的可控波速边界搜索算法求解机构的工作空间边界,分析机构工作空间体积随参数变化情况,然后通过转动性能指标来分析机构的转动能力随尺寸结构参数的变化。结果表明:机构能实现3平移1转动的运动特性, 3TIR并联机构的具有较大的工作空间且较好的转动能力。提出的可控波速边界点搜索法所得工作空间精细结构能显著体现,搜索算法有效可行。

具有整周回转能力的3T1R并联机构运动学分析

设计了一种可实现整周回转运动且便于模块化装配的3T1R并联机构。首先,提出一种仅含转动副的二维移动放缩单元,模块化组合与扩展后,构造得到一种平面二维移动放缩机构,将平面二维移动放缩机构作为支链,设计得到一种新型3T1R并联机构;其次,对该3T1R机构进行拓扑结构分析,在保证机构基本功能(方位特征集和自由度)不变的情况下对其进行降耦设计,得到耦合度为1的机构;最后,基于序单开链法对降耦机构进行位置分析,同时,基于导出的机构位置反解公式,分析机构的工作空间和转动能力,并绘制转动能力图谱,根据转动能力图谱筛选出机构可实现整周回转运动的工作空间范围,为该型机构的设计和实际工程应用提供理论依据。

新型2URU-2RSS并联机器人机构运动学分析多目标优化

提出一种半对称的2URU-2RSS并联机器人机构,该机构由4条支链构成,结构紧凑且具有较好的转动性能。根据方位特征集理论研究机构的运动性质和自由度性质。基于杆长约束条件,建立运动学方程,得出位置正解和逆解,并以2组数值算例分析验证运动方程解的正确性。同时通过规划空间的螺旋线运动,研究驱动副φi的变化,以此验证机构的运动性能。利用雅克比矩阵确定正、逆向奇异构型,并分析机构的理论工作空间以及可达工作空间内的动平台最大、最小转动角的空间分布图谱。研究不同结构参数对性能的影响趋势。最后,提出任务工作空间内的整周回转能力利用率作为反映实际转动能力评价指标,建立任务工作空间利用率η和整周回转能力利用率μ作为优化目标。选择NSGA-II算法得到Pareto最优尺度参数解,并进行算例分析验证目标模型的有效性。结果表明:任务工作空间内的整周回转能力指标最高可达99%以上,任务工作空间利用率最高可以提升至40%;机构的整体性能得到极大改善。

3T1R并联机构降耦设计与分析

根据基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计理论和机构结构降耦原理,设计了一种低耦合度的3T1R运动解耦并联机构。首先,对一种耦合度κ为2的3T1R并联机构进行了结构降耦设计,得到了耦合度较低(κ1=1,κ2=0),但自由度和末端执行件输出运动类型均保持不变的新机型;又对其进行了运动解耦性分析,表明机构具有部分运动解耦;然后,导出了机构位置正、逆解方程和雅可比矩阵;最后,基于雅可比矩阵分析了机构奇异性,并进一步对该并联机构可达工作空间和转动能力进行了分析,得到了机构无奇异工作空间区域。结果表明,降耦机构具有结构简单、无奇异工作空间形状规则、体积大,且全工作空间所有位置的转动能力一致等特点,克服了一般并联机构耦合性强、控制复杂的弱点,具有较好的工业应用前景。

2RRUR-2RSS并联机构结构特性与运动学分析

基于方位特征集设计理论和方法,设计了一种全由转动副组成的、动平台能实现空间三平移一转动的无过约束并联机器人机构,对其进行了拓扑结构特性分析;导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵,通过算例和Pro/E的仿真结果,验证了模型的正确性;并进一步对该并联机构作业空间的几何性质、转动灵活性及奇异轨迹进行了分析。分析表明,该机构具有几何形状规则的作业空间及较好的运动灵活性,但在工作空间内具有发生位形奇异的可能,因此,在运动过程中应当避开特殊运动位置以避免奇异位形的发生。

带Z字形悬臂梁段拼接的装配式钢框架节点抗震性能分析

为了解决传统结构装配化程度较低的问题,提出一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点,在对6个节点进行低周往复试验的基础上,对其进行了拟静力和静力有限元分析.获得了梁端和拼接区的弯矩转角曲线以及节点的破坏模式,并和试验结果进行了对比.得到了接触面摩擦力、孔壁挤压力以及螺栓拉力的变化规律,分析了螺栓数目、螺孔直径、节点加劲肋形式和框架梁形式对节点抗震性能的影响.通过对拼接区加载过程中各个状态的受力分析,构建了拼接区的弯矩转角关系模型.研究结果表明:减少翼缘高强螺栓数目在不显著降低节点承载能力的前提下提高了节点延性和塑性转动能力;翼缘和腹板螺孔开大孔和节点使用三角形垂直加劲肋对节点抗震性能影响很小;拼接区的上下翼缘板件之间滑移并不是同时开始的;加载过程中大部分螺栓的拉力都会有一定程度的损失.

不同节点轻钢框架的受力性能试验研究

通过对4种不同形式和构造的轻钢框架梁柱连接节点试验研究,分析了端板厚度、T型钢厚度、柱腹板加劲肋等因素对半刚性节点承载力、转动刚度和极限转动能力的影响.研究表明,轻钢框架半刚性连接是承载力较高、延性性能非常好的连接形式.柱腹板设加劲肋的端板连接是轻钢框架较好的半刚性节点.T型钢翼缘厚度对节点承载力的提高作用不明显,但腹板抗剪能力对此有影响.对于具有半刚性连接节点的轻钢框架,应该进行非线性分析.半刚性连接节点组合构件在荷载作用下的滑移现象不能忽视,分析和设计中应引起足够重视,并应提出可靠构造措施.

钢筋混凝土梁的弯曲性能尺寸效应试验研究

进行了抗压强度为46.5～50.6MPa,截面高度为250～1 000mm的钢筋混凝土试件弯曲性能试验。与相同尺寸和配筋的高强混凝土试件(fcu=72.1～72.4MPa)的试验结果进行了对比分析,从受弯承载力和变形能力两个方面研究了钢筋混凝土试件的受弯性能尺寸效应。研究表明,截面尺寸的变化对钢筋混凝土构件的名义开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩没有明显影响,对位移延性和塑性铰区塑性转动能力有显著影响,试件的位移延性系数和塑性铰转动能力随截面高度的减小而减小,并且普通混凝土试件和高强混凝土试件的尺寸效应规律基本相同,与混凝土强度无关。试验结果表明,不同混凝土强度和截面高度试件的塑性铰区长度均为1倍截面有效高度。

竹框架装配式梁柱节点单调加载试验

竹结构房屋是一种典型的装配式建筑,节点是整个结构中最重要的组成部分,也是最薄弱的部位,节点的破坏会导致整个结构的倒塌,为此设计了一种由竹质构件和钢结构部分组成的装配式框架节点,为了解新型装配式节点的力学性能,制作两组共4个足尺模型试件,进行单调加载试验,分别调查节点梁翼缘钢板及柱套钢板厚度对节点力学性能的影响,得到了每个节点的荷载-位移曲线和弯矩-转角曲线,4个节点的极限转角为0.095,0.097,0.080和0.079 rad,4个试件的极限承载力分别为12.10,16.60,11.70和14.63 k N,并在试验的基础上,给出了节点的弯矩-转角曲线方程,4个试件的第一刚度分别为283,396,241和622 k N·m/rad。结果表明,增加节点梁翼缘钢板厚度既可以提高承载力,又可以增加节点的转动能力;增加柱套钢板的厚度可以提高节点的承载力和初始转动刚度。

预应力组合梁在负弯矩作用下的塑性铰长度研究

为了研究体外预应力组合梁在负弯矩作用下的塑性铰长度,采用悬臂梁模型,运用有限元方法对截面支撑条件、跨高比及几何性质对塑性铰长度等参数的影响进行了分析.分析结果表明,组合梁在负弯矩作用下的力学性能受稳定控制,其支座单边塑性铰长度约为0.5倍钢梁腹板高度,并不随截面几何性质、加载方式等的改变而明显变化.

高强钢芯筒-螺栓连接钢管柱节点静力性能试验

为解决现有钢管柱节点单边螺栓锚固不足和操作复杂的问题,提出高强钢芯筒-螺栓连接副装配式节点,连接副由内置于钢管柱的高强钢芯筒和常规高强螺栓组成.为考察这种新型节点的静力性能,对6个1∶1足尺钢管柱框架边节点进行单调加载试验,研究变量为钢芯筒类型、筒壁厚度、螺栓直径、钢梁端板厚度.重点分析节点关键部位的应力变化、变形能力、破坏模式、螺栓拉力和节点类型.结果表明:试件均为半刚性节点、梁端塑性铰破坏机制,封闭型芯筒厚度与螺栓直径相当时可以满足梁柱刚接的强度条件;节点域变形很小可以忽略,芯筒转动变形对节点转动影响不超过10%;钢梁端板与柱的间隙随着芯筒厚度减小而快速增长,螺栓有拔出趋势,连接副的抗拉设计值可按钢板螺纹抗拉承载力的70%取用.

低周往复作用下某新型装配式框架节点抗震性能试验研究

设计制作了一种新型H型钢削弱装配式框架节点(简称SPC节点)和对应相同尺寸的现浇节点,采用低周往复加载试验,研究对比了两种节点的抗震性能。重点分析了节点的破坏模式、裂缝分布、滞回曲线、骨架曲线、峰值延性、能量耗散系数、循环刚度和强度退化、截面弯矩转角、钢筋应变和型钢应变。结果表明:SPC节点的裂缝分布与现浇节点相近,但最大裂缝宽度得到有效控制。SPC节点滞回曲线更饱满,且随加载位移增加,无明显刚度退化。与现浇节点相比,SPC节点的承载力和延性得到显著改善。通过两种节点能量耗散系数的对比,结果表明SPC节点具有更好的强震耗能能力。强度和刚度受循环加载影响更小,故SPC节点的抗震性能更稳定。SPC节点梁端部截面具有更强的弯矩承载力和转动能力。同时,给出的SPC节点设计方法,能有效达成设计目标和实现“强柱弱梁”的要求。

钢管腹板削弱型梁柱弱轴连接的抗震性能影响因素分析

在节点域箱形加强式工字形梁柱弱轴连接和钢管腹板削弱型(tubular web reduced beam section,TW-RBS)连接的基本形式上,提出了一种工字形柱与H形梁的钢管腹板削弱型弱轴(weak axis tubular web reduced beam section,WA-TW-RBS)连接。设计了3个系列共14个WA-TW-RBS弱轴连接节点的对比分析模型,采用有限元软件Abaqus对钢管的直径、厚度以及钢管中心距蒙皮板外边缘的距离进行了变参数分析,研究这些参数的变化对节点滞回性能、刚度退化、节点延性和塑性转动能力的影响。研究结果表明:在上述参数合理的取值范围内,WA-TW-RBS连接节点的延性系数能达到3.0以上,节点的塑性转动能力不小于0.03rad,并且能有效地实现塑性铰外移,是一种非常理想的钢框架抗震节点形式。所有模型在分析时,钢柱和节点域都处于弹性阶段,满足"强柱弱梁"和"强节点弱构件"的抗震设计理念。