超彈性柔性鉸鏈的建模和優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、柔性鉸鏈作為一體化的運動副，被廣泛應(yīng)用于微定位裝置、壓電致動器、位移放大裝置、天線指向等具有高精度需求的場合。相比于傳統(tǒng)的剛性運動副，其有效地避免機(jī)械裝配過程中存在間隙，以及使用過程中的摩擦、磨損等問題，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，使其在大范圍運動空間方面的應(yīng)用受到了制約。為了解決上述問題，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)實現(xiàn)關(guān)節(jié)的大范圍轉(zhuǎn)動，在此基礎(chǔ)上開

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)模型提出了一種簡化的、適合有限元計算的分段線性模型，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，提出了三項評價超彈性柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動性能的指標(biāo)（轉(zhuǎn)動能力、轉(zhuǎn)動偏差及柔度），對比分析了不同截面（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驗證了建立的動力學(xué)模型，并針對超彈性柔性鉸鏈的動態(tài)特性，從阻尼作用、超彈性變形以及共振響應(yīng)三個方面進(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、鏈在不僅運動范圍更大，而且其自身在振動抑制與防止共振方面具有明顯的優(yōu)勢。
　　基于已建立的靜力學(xué)及動力學(xué)模型，對橢圓型超彈性柔性鉸鏈的尺寸參數(shù)開展多目標(biāo)優(yōu)化，以轉(zhuǎn)動能力、轉(zhuǎn)動偏差、柔度和轉(zhuǎn)動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優(yōu)化問題進(jìn)行求解，并根據(jù)設(shè)計目標(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展實驗驗證?；贛ATLAB圖像處