一种摩擦力演示装置设计

摩擦力是一种常见的力,同时也是一种多因素共同决定的力。很多人认为摩擦力的概念抽象而不容易理解,尤其是摩擦力的大小与接触面的关系问题。为了辅助摩擦力教学,设计了一台摩擦力演示装置。同时介绍了该演示装置的设计原理、装置构成、制作方法以及仪器的详细使用方法。它适用于学生做基础的摩擦力验证实验。

含间隙运动副机构的动力学特性研究

为了研究含间隙运动副机构的动力学特性的影响,综合考虑转动副轴向尺寸、材料非线性系数以及碰撞过程能量损耗等因素,建立了一种改进的非线性接触碰撞力模型,同时提出了一种用于描述间隙处摩擦作用修正的库伦摩擦模型。以曲柄滑块机构为研究对象,将上述接触碰撞力模型和摩擦力模型嵌入系统动力学模型中,进行动力学仿真分析,研究不同间隙、驱动载荷及摩擦系数对机构动力学特性的影响,并将仿真结果与试验测试数据进行对比分析。结果表明:基于改进的非线性接触碰撞力模型、修正的库伦摩擦力模型仿真计算结果,与实验结果吻合较好,能够准确、有效地描述含间隙运动副机构的动态特性。

盘-销系统摩擦尖叫的时变性:发生机理与关键影响因素

为解释摩擦尖叫时变性的基本机制,建立盘-销系统并完成摩擦尖叫台架试验,成功反复再现间歇性和持续性尖叫。试验时,记录不同速度和法向力载荷工况下的摩擦噪声、动态接触作用力和销端部振动加速度信号。通过试验信号的小波分解、时频分析和馈入能量的计算,系统分析盘-销系统发生时变性摩擦尖叫的机理与因素。研究发现,摩擦尖叫的间歇性或持续性取决于摩擦接触法向力准静态分量的大小。当法向力准静态分量较小时,系统发生间歇性尖叫,反之则发生持续性尖叫。制动盘和销的模态耦合导致摩擦尖叫,尖叫频率会随着法向力准静态分量的变化成比例变化,且与摩擦接触力之间存在显著的滞环效应;能量馈入是产生摩擦尖叫的重要前提,而且馈入能量的变化导致摩擦尖叫声压幅值变化。

含非理想空间棱柱铰的多体系统接触分析

传统的接触分析方法通过物体间的相对运动确定接触位置.将这种方法用于多体系统中铰内的接触分析时,无论铰内间隙是否十分微小都必须解除铰的运动学约束,从而导致求解效率和求解精度方面的诸多弊端.基于铰约束反力与铰内接触力之间的力系等效关系,以及铰内可能接触点运动之间内在的运动学关系,以矩形截面的棱柱铰为例,提出了一种对空间棱柱铰进行摩擦接触分析的方法,可在不解除铰的运动学约束的前提下得到铰内接触模式和接触力.数值算例验证了方法的可行性.

构件强度控制的高强螺栓承压型连接研究

高强螺栓承压型连接是否考虑构件间的摩擦力会直接影响构件强度控制情况下的承载力.根据高强螺栓承压型连接的作用机理对这种过程进行了分析,并采用数值实验方法模拟了这种情况的受力过程,用降温法模拟施加在高强螺栓上的预应力.结果表明:当连接的承载力由构件强度控制时,若不考虑构件间的摩擦力,则高强螺栓承压型连接的承载力会被低估.在分析基础上提出了合理的计算方法.

基于Matlab的三叉杆滑块式万向联轴器的动力学分析

利用方向余弦矩阵工具,在三叉杆滑块式等角速万向联轴器运动学分析的基础上,计入摩擦力和惯性力,对该联轴器建立起动力学模型,进行了全面的受力分析。数值分析结果表明:各构件的受力按正弦规律或近似于正弦规律相对于输入轴转角呈周期性变化;摩擦系数对回转副和球面副中各力影响较大,对移动副中各力影响较小。

高强螺栓承压型连接抗剪承载力计算

针对现行规范在计算高强度螺栓承压型连接的抗剪承载力时不考虑连接板之间的摩擦力,与承压型高强螺栓的受力机理不相符的问题,采用虚功原理推导了预拉力模拟方法,并采用有限元方法对这一连接的受力过程进行分析.分析结果表明,当连接的承载力由螺栓强度控制时,若不考虑构件间的摩擦力,则高强螺栓承压型连接的承载力会被低估.在数值分析的基础上对这种连接方式的抗剪承载力提出了考虑连接板间摩擦力的计算方法.与有限元结果比较,该计算方法的误差在10%以内.

柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节;由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够;为此讨论了参数不确定情况下柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动控制方案设计和以及臂、关节双重柔性振动的分阶主动抑制问题。依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型;以此为基础;针对空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动技术将整个系统分解成独立时间尺度的电机力矩动力子系统和柔性臂子系统;针对电机力矩动力子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对柔性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的自适应模糊全局滑模控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制柔性臂柔性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。

考虑摩擦和参数不确定的平面五杆机构控制

建立了机构运动副摩擦的数学模型,将关节接触面间的作用力转换为理想约束力与摩擦力矩。将摩擦力矩视为外加非保守力,应用简化模型法建立了包含关节非线性摩擦的平面并联五杆机构的动力学模型。基于滑模变结构理论设计了该模型考虑参数不确定性的鲁棒轨迹跟踪控制器,并证明了其稳定性。实验和检测结果表明所建动力学模型正确,所设计的控制器对机构中的非线性摩擦力有较好的补偿效果并具有较强的鲁棒性。

基于多尺度模型的销接式索夹极限抗滑摩阻力分析

为研究悬索桥主缆销接式索夹在吊索力作用下的抗滑性能,以某单跨悬索桥为背景,采用ANSYS软件建立带端索夹的主缆多尺度有限元模型,研究吊索力作用下索夹的极限抗滑摩阻力、主缆与索夹表面接触压力及螺杆拉力随吊索力的变化规律。结果表明:吊索力加载时,索夹的极限抗滑摩阻力比轴向加载时大幅减小,吊索力对索夹的抗滑能力有显著的削弱效应;索夹临界滑移时的下滑力明显小于按规范计算的极限抗滑摩阻力,索夹抗滑设计时应考虑吊索力的影响;索夹与主缆表面接触压力沿索夹长度呈抛物线分布,随着吊索力增加,上半索夹与主缆表面接触压力略有增加,下半索夹与主缆表面接触压力明显减小;吊索力会导致螺杆产生附加拉力。

高速受电弓滑模半主动控制

为解决人工磁瓦表面缺陷检测质量不稳定的问题,提出了一种自动检测磁瓦表面缺陷的方法.首先利用磁瓦轮廓长度、面积等几何特征及轮廓匹配的相似度作为特征向量,采用支持向量机进行初次分类;然后再利用对凸凹缺陷的分析,得到缺陷数量和面积作为特征向量,采用最小均方误差分类器进行二次分类;最后对上述2步结果做与运算,得出最终判断.实验表明本方法可以达到正确识别率约为91.80%,错误接受率约为0.75%,正确拒绝率约为14.00%.

考虑静摩擦的两圆柱体分形接触强度模型研究

为了研究两圆柱体结合面之间静摩擦力对接触强度的影响,文章通过引入静摩擦影响系数,在分形理论的M-B接触模型、静摩擦因数预测模型和Gelinck数学模型基础上,修正结合面之间真实接触面积计算方法,并推导考虑静摩擦影响的两圆柱体结合面分形接触强度模型。通过Matlab仿真分析发现:静摩擦因数对接触强度的影响呈现复杂的非线性关系,无法通过单一的调节润滑黏度、接触速率等因素改变接触强度;与传统接触强度模型相比,该文所用模型计算的接触强度有所降低,且随着分形维数的减小接触强度呈现非线性增大。研究结果为进一步探讨摩擦对齿轮等实际产品的接触强度影响提供了一定的理论基础。

基于外力观测器的MIS机器人双边力反馈控制

针对现有微创外科手术机器人缺乏力感知和力反馈问题,提出了基于外力观测器的微创机器人鲁棒滑模双边力反馈控制结构。设计了非线性外力观测器,用于实现主从机器人的外力观测。为获得准确的外力观测,需要对摩擦和扰动进行补偿,确定关节摩擦为Stribeck模型,采用遗传算法对模型中参数予以辨识,采用等效法对扰动进行补偿。为实现准确的轨迹跟踪和保证系统的稳定性,设计了鲁棒滑模控制器。通过仿真和实验对所提出的控制结构进行了验证,结果表明所提出的双边力反馈控制结构,能够实现无力传感器下外力的准确观测,同时具有仅通过位置.位置的硬件结构获得位置.力硬件结构的优点,为无力传感器下的主从运动控制奠定了研究基础。

考虑关节摩擦的3-UPS/PU并联机构模糊自适应滑模控制

为克服3-UPS/PU并联机构关节摩擦力突变现象带来的跟踪畸变问题,设计了一种模糊自适应滑模控制方法。首先在机构动平台工作空间内建立该机构的整体动力学模型。针对切换型滑模控制驱动力抖振以及自适应滑模控制(ASMC)对摩擦突变较敏感的不足,提出一种模糊自适应滑模控制(FASMC)方法,该方法以自适应理论为基础,可以在线估计包括摩擦在内的系统模型不确定项,自适应增益通过模糊逻辑系统实现了动态调整,相比ASMC可以更准确地逼近摩擦的变化情况,从而更有效地抑制摩擦力突变影响,增强了系统鲁棒性。由于无需依赖具体的摩擦模型以及简单的控制结构,FASMC适用于并联机构这类复杂不确定系统。仿真结果显示,所采取的控制方法能有效估计并克服机构摩擦干扰,提高了机构的控制精度,而且驱动力没有出现抖振现象。

基于UG和ADAMS行星齿轮传动系统动力学仿真

利用实体建模软件UG建立了减速器行星齿轮传动系统的虚拟样机,并利用UG与动力学仿真分析软件ADAMS,将虚拟样机导入到ADAMS中建立仿真模型。齿轮啮合时,轮齿间除了滚动接触外还存在相应的滑动接触,使轮齿间具有较大的摩擦。针对利用传统赫兹理论计算齿面接触力时没有考虑齿间摩擦的缺陷,将摩擦因数引入计算并进行仿真分析,得到了齿轮之间的接触力和接触力随速度按非线性曲线变化的结论。

基于虚拟样机技术的行星齿轮传动系统分析

利用实体建模软件UG建立了减速器行星齿轮传动系统的虚拟样机,并利用UG与动力学仿真分析软件ADAMS,将虚拟样机导入到ADAMS中建立仿真模型。齿轮啮合中轮齿间除了滚动接触外还存在相应的滑动接触,使轮齿间具有较大的摩擦了,针对传统赫兹理论形成的齿面接触力计算没有考虑齿间摩擦,将摩擦系数引入计算,得到了齿轮之间的接触力曲线变化。应用UG NX的"高级仿真"模块,建立行星轮有限元模型,通过解算器NX NASTRAN对有限元模型进行分析求解,得到行星轮在接触力作用下应变和应力分布情况,再根据设计要求对零件参数进行优化,使行星轮的结构既满足设计要求,又达到体积小和成本低。

钢轨错牙接头区轮轨接触的热弹塑性分析

为了探究钢轨错牙接头区轮轨滑动接触关系,利用有限元软件ANSYS建立了轮轨滑动接触热弹塑性二维有限元模型,分析了错牙高度、滑动速度以及常、变摩擦系数对轮轨间接触应力以及钢轨摩擦温升的影响.研究表明:轮轨间的接触应力、摩擦热、剪应力、等效应力以及等效塑性应变均随错牙高度增大而增大,错牙高度从1.6mm增加到1.8mm时剪应力、等效应力以及等效塑性应变急剧增大;轮轨接触应力等各值也随着滑动速度的增加而增大,在3m/s时存在速率突变;最大摩擦温升、剪应力、等效应力和等效塑性应变随摩擦系数的增大而增大,但轮轨接触应力则随摩擦系数的增加而减小.

索托节点的数值模拟方法研究

为了更加准确地模拟索托结构中的索托节点,本文利用ANSYS软件进行整体桁架的模拟并进行相关的有限元分析,提出一种新的索托节点数值模拟方法,即不变刚度短梁法,并与其他3种数值模拟方法(自由度耦合方法、自由度耦合加变刚度弹簧单元方法、点-点接触方法)进行分析对比。结果表明:4种方法对桁架结构挠度和构件内力引起的差别并不明显,结果基本吻合,内力走势一致。由于自由度耦合加变刚度弹簧单元方法已得到验证,故说明本文提出的不变刚度短梁法是合理可行的;自由度耦合加变刚度弹簧单元方法和不变刚度短梁法能更好地模拟索托节点处的摩擦力行为,而且这两种方法理论明确且计算简单方便,是相对较好的索托节点数值模拟方法。

多关节移动机械臂系统的快速终端滑模控制

为了实现多关节移动机械臂系统在机械摩擦和模型误差等干扰下的精确控制,提出了快速终端滑模控制方法。首先建立了移动机械臂系统动力学和运动学模型,然后设计了运动环控制律,并将移动机械臂系统的运动指令转换为动力指令,最后针对动力环设计了快速终端滑模控制律,并通过自适应神经网络进行干扰估计,实现了对多关节移动机械臂系统的精确控制。仿真实验结果表明,提出的方法具有更好的快速性和准确性,移动平台的最大跟踪误差仅为0.8 cm,关节末端的最大跟踪误差仅为0.3 cm,干扰估计的最大误差为0.2 N·m,控制效果和精度均得到了明显的提升。

具有时滞的柔性关节多机械臂协同自适应位置/力控制

由于关节机械臂长期运行后,齿轮间隙扩大产生的时间滞后将使得系统跟踪性能降低.针对此问题,本文提出了一种自适应位置/力控制策略来保证闭环系统稳定性以及位置/力跟踪性能.首先,对多机械臂和物体系统进行任务空间动力学建模.随后,利用Pade理论将时间滞后近似为二阶有理分式.同时,利用神经网络自适应算法克服模型建模误差对系统稳定性的影响,利用同时包含位置误差和力误差的线性滑模项,设计位置/力控制器.通过李雅普诺夫稳定性理论,证明控制策略能实现位置误差和内力误差的渐近收敛.最后,仿真验证证明所设计控制策略的有效性.