考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型

针对机床数字化设计中典型结合面建模精度误差较大的问题,提出了一种采用虚拟材料等效结合面静力学特性的方法,建立了考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型,并完成了相应的静刚度测试实验。首先,综合考虑了弹塑性变形机制和摩擦力的影响,提出了一种新的结合面法向和切向刚度的分析模型;其次,根据不同类型结合面的特点,采用虚拟材料模拟结合面的刚度特性,建立了刚度特性与虚拟材料弹性模量和泊松比的关系,并将其应用于精密数控机床整机的静刚度分析;最后,开展了整机工艺系统的静刚度测试实验,得到了主轴末端X、Y、Z三个方向的刚度分别为26.60 N/μm、41.87 N/μm和40.17 N/μm,并将其与仿真数据进行了对比。研究结果表明:不考虑结合面影响的模型相对误差将近17%,而考虑结合面影响的模型相对误差在5%以内,验证了考虑结合面特性影响的机床整机有限元静力学分析模型的有效性;采用虚拟材料等效结合面静力学特性的方法可作为机床数字化设计的一种可行的方法。

基于缺口应力法的薄板焊接接头疲劳性能评估

为验证缺口应力法在板厚小于5 mm的薄板焊接接头疲劳评估的适用性,开展了Q345qD薄板焊接接头疲劳性能试验,获得了薄板焊接接头疲劳试验数据,结合有限元分析计算的焊接接头缺口应力集中系数,绘制了缺口应力疲劳寿命曲线,确定了薄板焊接接头疲劳曲线斜度值和疲劳等级值,与已有研究成果进行比较,发现Q345qD薄板焊接接头具有更高的疲劳曲线斜度值和疲劳等级值,研究结果可供实际工程中疲劳性能评估做参考。

基于虚关节法的3T1R混联机构静刚度特性分析

基于虚关节法和构件有限元分析建立了考虑驱动副、滚珠丝杆副、线性导轨和运动杆件弹性变形的3T1R混联机构静刚度矩阵模型。通过在构件末端添加多自由度虚拟关节的方式来等效构件的弹性,将支链等效为一系列刚性构件,通过主动副、被动副以及虚拟关节连接的形式,给出了运动关节和虚拟关节变量对机构末端位姿的映射,应用虚功原理得到机构静平衡方程,推导了机构在一定外载下的刚度矩阵模型,采用无量纲变换法定义了局部线刚度和角刚度评价指标与全局线刚度和角刚度评价指标,据此分析了混联机构在典型位姿和工作空间域内的静刚度性能,并利用有限元仿真验证了刚度模型的准确性。结果表明,所建半解析刚度模型具有较高的精度;机构z向线刚度在工作空间内关于x=y轴线对称分布;机构x向、y向的线刚度沿x轴、y轴方向不变,具有解耦性;机构线刚度远大于角刚度。

欠自由度机器人的运动学逆解存在性神经网络判别

针对欠自由度机器人在工作空间内运动学逆解的存在性问题 ,提出虚拟关节法 ,并利用神经网络的学习能力 ,区分出可解子空间和不可解子空间 。

结合部虚拟材料参数的逆向优化识别方法

考虑结合部的有限元模型是准确分析、预测结构动态响应与振动控制的基础。以哑铃状结构实验模型为研究对象,采用虚拟材料层法对结合部进行等效参数化建模。综合模态实验数据和有限元优化仿真技术,提出了一种简单实用的结合部虚拟材料参数逆向优化识别方法。为关联有限元模型和实验数据,特引入基于仿真和实验固有频率之间差值最小化的目标函数。采用灵敏度法对整体结构模型做局部有限元反解,利用多目标遗传算法优化求解结合部虚拟材料参数。通过对比实验模型、正向模型和逆向模型得到的固有频率,验证了所提方法的正确性和可行性,并进一步探讨了不同预紧力矩对结合部虚拟材料参数的影响。

基于虚拟材料层的滑动结合部动态特性建模方法

由于弹簧阻尼单元模拟结合部动态特性的方法存在的缺陷,提出采用虚拟材料层和多点约束技术对滑动导轨系统建立有限元模型,并在ANSYS中完成模态分析。通过分析虚拟材料层的材料属性参数(弹性模量、泊松比、密度)和结构参数(虚拟材料层厚度)对滑动结合部动态特性的影响,得到可供工程应用的3个优化设计变量,并将优化结果与试验模态分析结果进行了比较。研究表明,有限元模态计算的固有频率与试验结果误差低于8%,为实际工程应用提供了一种可靠的建模方法。

仿人头颈部机器人跟踪运动控制

仿人头颈部机器人是仿人机器人的一部分,负责对视觉目标进行动态跟踪。为了能够精确跟踪目标,在系统运动学建模过程中,将机器人视场中心的视线作为一个具有伸缩自由度的连杆加入头颈部结构的运动学模型。通过双目视觉系统计算得到的目标点位置在数学模型上成为连杆机构运动的目标位置。为了使具有冗余自由度的头颈部机器人的运动更符合人类的动作行为,对用于消除运动学奇异点的阻尼最小二乘逆解算法进行了改进。改进后的修正算法不仅能够使机器人在运动过程中避开奇异点,而且能够实现算法上的关节限位,保证机器人运动的关节舒适度,使其更符合人类的行为习惯。仿真实验表明:这种算法在很大程度上提高了机器人运动的可靠性和稳定性。

基于连接特性识别的子结构综合法

子结构综合法因其分块计算的特性,适用于由多单元组成的系统动特性的计算,但是对结构间连接的处理尚缺乏系统的分析和处理,而实际应用中,由于子结构之间的连接较为复杂,导致传统的机械导纳法计算结果准确性较低。考虑子结构综合法中连接单元特性对综合计算带来的影响,引入虚阻抗的概念,在结构综合计算中将连接单元对结构特性的影响以阻抗阵的形式引入进来,而连接单元的特性则根据整体单元及各个子单元的频响特性逆向推导所得,通过离散单元及弹性连续体单元模型验证考虑连接特性的综合方法在计算上的准确性,并将方法引入到铣刀动特性的预测中,通过设计实验验证了方法的可靠性。

基于非线性虚拟材料栓接结合部动力学建模方法

为仿真栓接结合部非线性动力学特性,提出一种基于非线性横观各向同性虚拟材料的栓接结合部动力学建模方法.基于有限单元法,利用8节点实体单元构建被连接件及用来等效栓接结合部的横观各向同性虚拟材料层,虚拟材料层与被连接件固接.采用非线性虚拟材料等效栓接结合部,以模拟含栓接结合部结构在不同幅值的外简谐激振下所体现出的非线性刚度特性.为提高非线性模型计算精度,将非线性横观各向同性虚拟材料层进行分区处理,每个区域虚拟材料参数分别由该区域虚拟材料的形变确定.最后,对模型进行局部降维,在时域下求解模型的幅频响应,通过对比仿真计算结果和试验结果,验证所提出建模方法的可行性与有效性.

一种模拟节理岩体破坏的新方法:单元劈裂法

在有限单元法中,三结点三角单元在几何上具有独特的优点,即当一条裂纹贯穿单元(单元劈裂)时,总有一结点位于裂纹的一侧,而另外两个结点位于裂纹的另一侧。位于一侧的两个结点与位于另外一侧的一个结点可以潜在地构成两个接触点对,从而可以利用这两个接触点对来推导劈裂单元的刚度矩阵,以再现裂纹面之间的接触和摩擦效应。利用该三角单元的几何特点,提出了单元劈裂法,用于模拟节理或其它裂纹的扩展问题。由于劈裂单元刚度矩阵与原三角单元享有共同的结点,因而在模拟裂纹扩展过程中无需为设置节理单元而改变原网格划分方案,这为节理扩展的数值模拟提供了很大方便,提高了计算效率。在劈裂单元刚度矩阵推导过程中,没有考虑单元劈裂后所形成两个块体自身的弹塑性变形,所以该方法只是一种近似方法。对相应试验进行了数值模拟,结果表明该方法是有效的。

RPU-SPR-SPU新型三自由度并联机构静刚度分析

为解决Exechon机器人装配要求高、存在冗余约束而导致制造成本过高的问题,基于Exechon机床的并联部分设计其变异机构RPU-SPR-SPU(R-转动副、P-移动副、U-虎克铰、S-球副).应用螺旋理论计算新机构的自由度,采用矢量法求机构位置反解.考虑到新机构与原机构相比,刚度可能会有所降低,采用虚拟关节法求出机构刚度的数学模型,并且与有限元静力学分析的结果进行对比,验证公式的正确性.根据运动学反解在固定的工作平面上求出刚度分布情况,分析机构位型对刚度的影响.研究结果表明:RPU-SPR-SPU机构具有无冗余约束、装配简单等优点,刚度特性良好.

高耸钢管塔K型结点极限承载力的试验研究与理论分析

对某高耸钢管塔带连接板的K型结点进行足尺模型试验,探讨极限承载力情况下的破坏现象和破坏机理,采用圆环-母线梁分离模型,根据钢管能量理论和虚功原理,推导出三管轴力作用下带连接板K型钢管结点的极限承载力公式,发现极限承载力不仅与主管壁厚、管径、结点板长度相关,还与主管轴向压力密切相关,同时提出了钢管在组合外力作用下存在临界轴压系数的概念。为K型钢管结点极限承载力设计提供依据。

平面冗余自由度机器人自寻优运动优化方法

为了解决平面冗余自由度机器人的运动优化问题,提出一种自寻优方法。引入"臂角"参数,建立了平面4自由度机器人逆运动学的封闭解形式;针对机器人运动过程中远离关节极限的优化任务,提出一种自寻优方法,将4自由度机器人等效为四连杆机构,将优化目标转化为虚拟转矩作用于关节上,机器人将在虚拟力作用下向着平衡状态运动,最终实现机器人的运动优化。采用自寻优方法对机器人单点位姿及轨迹跟踪进行了运动仿真,结果表明:自寻优方法可以快速、有效地实现机器人的运动优化。

林区公路测设中的局部改线与断链

列举实例说明林区公路测设中局部改线的方法.以及由此而产生的断链处理.

基于磁通叠加原理的变刚度关节设计与特性研究

基于磁通叠加原理,提出了一种机器人变刚度关节,在减少了关节质量的同时增加了关节刚度的调整速度和运动范围。阐述了通过电信号直接调整永磁-电磁混合式变刚度装置中磁通量,实现刚度改变的工作原理,并以此原理设计关节整体机构。根据磁通连续性原理和虚位移法建立了关节刚度模型,并给出关节刚度随电流和关节位置的变化关系。以变刚度关节刚度模型为基础,设计了变刚度关节位置与刚度协调控制器,搭建了变刚度关节的原理样机。实验结果表明,基于磁通叠加原理的变刚度机器人关节可以实现关节刚度的快速调节,关节的位置和轨迹跟踪精度随着刚度的增加而增加,随着频率的增加而降低。

虚拟膝关节手术中基于骨架的实时形变方法

针对带有骨架的3D模型的大范围形变问题,提出一种改进的梯度域方法,通过在容易引起体积失真的部位(如关节)加入虚拟节点构建体图,采用体微分坐标实现保持体积的形变。通过修改能量函数中的权值,实现表面材料相关的形变。实验表明,该方法能够满足虚拟膝关节手术的实时性和真实感要求。

对接梁Benchmark模型的建模与动态特性分析

采用相对描述方式建立了Sandia国家实验室结构连接件与界面研究中提出的对称连接梁Benchmark问题的对称和反对称动力学模型,解析分析了系统的模态特性.解析模型中连接段采用挠性根部法模拟其变形势能,根部挠性参数则根据试验结果识别.并采用虚拟材料法模拟连接段进行了有限元分析.两种方法均获得了该Benchmark模型与其模态试验结果一致的动态特性.

节理岩体的一维动态等效连续介质模型的研究

基于黏弹性理论,提出平行节理岩体的一维动态等效连续介质模型,该模型适用于纵波(P波)垂直通过一组等间距平行节理岩体的动力学问题。该模型包含黏弹性介质模型和虚拟波源概念。黏弹性介质模型主要描述应力波通过节理的衰减和时间的滞后;而虚拟波源的概念则描述应力波在平行节理之间的多次反射。根据已有解析解可以确定黏弹性介质模型中的未知参数。通过和位移不连续方法的比较,验证平行节理岩体的一维动态等效连续介质模型的正确性;该模型可有效地应用于研究通过一组平行节理岩体的P波传播问题。结果表明,该研究可以简化应力波传播问题的复杂性。

断片建筑的话语——卡罗·斯卡帕建筑设计思想研究系列

斯卡帕建筑的诗意.是因为他能够创造出行之有效唤起诗意的断片建筑话语。笔者从断片的自主与绵延两个层次分析斯卡帕的话语:以视觉逻辑.隐喻和仪式化的方法.材料与材料关联构成形式各异的自主断片;以形式类比,空间整形和虚拟空间节点的方法,断片的绵延构成断片建筑。

环境自适应的拓扑联合感知虚拟网映射算法

针对虚拟网映射算法环境适应度低、拓扑关联性较差且映射开销较大的问题,该文提出一种环境自适应的拓扑联合感知虚拟网映射算法。首先提出一种加权相对熵排序方法对具有多指标的节点进行量化处理,依环境变化赋予节点指标不同的权值;在虚拟节点排序阶段采用加权相对熵和广度优先搜索算法双重排序,物理节点排序中引入就近度与加权相对熵算法配合使用,实现了对虚拟拓扑和物理拓扑的联合感知;最后利用k-最短路径算法完成虚拟链路映射。仿真结果表明,该算法依据环境变化自适应调整指标权值,提高了虚拟网映射成功率和收益开销比。