绳牵引并联机器人弹性变形对动平台位姿精度的影响Influence of elastic deformation on pose precision of moving platform for wire-driven parallel robot

针对六自由度绳牵引并联机器人在风洞试验中的应用,分析了牵引绳弹性变形对动平台位姿精度的影响,其实质是运动学正解问题。鉴于牵引绳只能受拉力的特点,以及风洞试验的目的,须考虑系统的刚度和绳拉力的优化。基于系统运动学和动力学方程,推导了系统刚度矩阵;以提高系统主方向刚度为目标函数,对绳拉力进行了动态优化分布,以求解弹性变形;采用L‐M数值方法进行运动学正解,量化分析了两种不同弹性模量的牵引绳对系统刚度的影响,以及弹性变形引起的动平台位姿误差。研究结果表明,以刚度增强为优化目标,有利于提高系统稳定性;采用弹性模量较大的牵引绳,可以有效提高系统的刚度,减小绳长变形引起的飞行器模型位姿误差,满足风洞试验的精度要求。上述结果可为后续机构的改善和系统高精度的力位混合控制提供依据和指导。     

绳牵引并联机器人弹性变形对动平台位姿精度的影响

针对六自由度绳牵引并联机器人在风洞试验中的应用,分析了牵引绳弹性变形对动平台位姿精度的影响,其实质是运动学正解问题。鉴于牵引绳只能受拉力的特点,以及风洞试验的目的,须考虑系统的刚度和绳拉力的优化。基于系统运动学和动力学方程,推导了系统刚度矩阵;以提高系统主方向刚度为目标函数,对绳拉力进行了动态优化分布,以求解弹性变形;采用L-M数值方法进行运动学正解,量化分析了两种不同弹性模量的牵引绳对系统刚度的影响,以及弹性变形引起的动平台位姿误差。研究结果表明,以刚度增强为优化目标,有利于提高系统稳定性;采用弹性模量较大的牵引绳,可以有效提高系统的刚度,减小绳长变形引起的飞行器模型位姿误差,满足风洞试验的精度要求。上述结果可为后续机构的改善和系统高精度的力位混合控制提供依据和指导。     

关节混合空间控制下的冗余绳驱并联机器人绳力分布特性分析

绳驱并联机器人是由绳索代替刚性杆件的一类特殊机器人,其中绳索具有只能承受拉力而不能承受压力的特点,冗余绳驱并联机器人的绳力分配问题是一个难点.在关节混合空间控制中,将冗余的绳索组合采用绳力控制,而其余绳索进行绳长控制.因为不同的绳索组合可能导致不同的控制效果,本研究旨在解决关节混合空间控制条件下,力控绳索组合的选择问题.以二冗余绳驱并联机器人为例,通过向量空间基变换方法,实现了冗余绳驱系统绳力在拉力索张力空间的表达.基于拉力索张力空间,计算了绳力控制绳索组合的对称最大误差带,用于找到合适的绳索组合用于力控.使用多体动力学仿真手段,对关节混合空间的控制效果和对称最大误差带解析解计算方法的正确性进行了模拟验证.在同时考虑绳长和绳力控制误差的条件下,发现当选择不合适的绳索组合时,绳力误差会被显著放大,说明了本文针对绳力分布特性分析的意义.本文提出的对称最大误差带概念同时也为关节混合空间控制策略下的绳力控制器设计提供指导.     

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

井眼轨迹控制工具主轴载荷与造斜能力关系研究

井眼轨迹控制工具是随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井工具.在复杂工况下,主轴承受钻压、扭矩和偏置机构作用力等,十分复杂.在课题组前期研究的基础上,对样机主轴的力学行为开展了进一步的研究,在建立主轴静力学模型的基础上,分析了工具外壳刚度、偏置机构安装位置等因素对主轴力学行为与造斜能力的影响规律.研究发现,主轴下端偏转角、偏心机构作用力和最大截面弯矩会随着偏心位移增加呈线性增加;随着外壳刚度的增加和偏置机构安装的位置与上支撑轴承之间距离的增加,工具造斜能力也会增强;通过分析偏置机构安装位置和外壳刚度对主轴力学行为的影响规律发现,随着外壳刚度的增大和偏置机构安装位置与上支撑轴承之间距离的增大,主轴最大截面弯矩也会增大.最后,给出了最佳的外壳刚度与偏置机构安装位置建议.     

机械臂臂杆刚度主动控制下的末端振动特性研究

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.      

RESEARCH ON VIBRATION CHARACTERISTICS OF THE MANIPULATOR END UNDER ACTIVE CONTROL OF ARM STIFFNESS$^{\bf 1)}$

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.     

3-PRS并联机器人惯量耦合特性研究

惯量是影响机器人动态性能的主要因素,并联机器人因其多支链耦合的结构特点,关节空间各驱动轴出现惯量耦合的动力学特性,在高速、高加速度运动时易引起控制超调、振动等现象,破坏机器人的动态性能,因此研究并联机器人惯量耦合特性具有重要意义. 以3-PRS 并联机器人为例,通过虚功原理求得惯量矩阵,提出惯量耦合指标,该耦合指标表征了并联机器人在工作空间不同位姿时各驱动轴的耦合惯量大小,并给出了该耦合指标在机器人工作空间内的分布规律. 进一步在一台3-PRS 并联机器人样机上进行了实验验证,结果表明耦合惯量会改变驱动轴负载,负载的改变将最终影响动态性能. 同时各驱动轴的负载变化量随着惯量耦合指标的变大而变大,与理论分析有较好的一致性. 研究成果可帮助评价并联机器人的动力学耦合特性,并可用于并联机器人的结构参数优化及伺服参数调试以提高机器人的动态性能.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器.最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.     

弹性杆基因模型的力学问题

概述弹性杆静力学与刚体动力学之间相似性的Kirchhoff理论．讨论其在分子生物学的弹性杆基因模型中的应用，以及与分析力学和运动稳定性理论有关的若干问题．     

浅谈流体力学发展——从Batchelor百年诞辰纪念大会谈起

G.K. Batchelor是20世纪国际流体力学大师,在均匀湍流理论和低雷诺数微流体力学领域做出了开创性的贡献,他对流动追求物理和定量性理解的思想影响了近百年流体力学的发展,是流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics的创刊人,也是剑桥大学应用数学与理论物理系(DAMTP)的创建者,培养并影响了一大批在流体动力学理论、实验流体力学、湍流及稳定性、环境流体力学、多相流体力学、磁流体力学、微纳米尺度流体动力学等诸多领域建树卓越的学者.本文以G.K. Batchelor诞辰100周年纪念活动为契机,简要回顾了流体力学近300年的发展历程.概述了流体力学发展历经的以数学和物理为基础建立理论框架的经典流体力学、以应用需求为导向促使自身跨越发展的近代流体力学和以学科融合为特点外延丰富的现代流体力学三个重要阶段;以师承关系、代表性学者及其主要学术贡献为线索,总结了现代流体力学四大学派的形成及其近百年的传承沿革;以历史和发展的视角浅谈当代流体力学发展的动力和趋势,并以风沙环境力学为例,简述流体力学为分支学科发展提供的支撑和引领作用,分支学科的需求为流体力学内生发展提供驱动力...     

格栅结构力学性能研究进展

格栅复合材料是一种新型轻质高强材料. 综述了格栅复合材料的周期构型特征和格栅结构的制备工艺. 归纳了二维周期格栅材料的等效刚度矩阵计算方法, 比较了不同构型格栅的基本力学性能, 介绍了胞元材料的微极弹性理论和格栅的强度与屈服面计算方法. 探讨了格栅的缺陷及其力学响应, 包括格栅的尺度效应、夹杂缺陷以及裂纹扩展特征, 介绍了波在格栅材料中传播机理的最新研究成果. 根据格栅材料在工程中的应用形式, 分类介绍了格栅板壳结构、格栅加筋板壳结构和格栅夹层结构的结构特点和破坏方式、设计优化准则和实验研究成果. 还归纳了作者所在研究小组近期在碳纤维格栅复合材料的制备、实验研究和理论分析等方面的最新工作进展.      

Extreme mechanics

With the development of cutting-edge sciences and new technologies, we have to consider the size, the density, the hardness, the stiffness and other properties of engineering materials and structures beyond the conventional ranges, as well as their mechanical behavior in extreme environments, such as ultra-conventional temperature, speed, physical and chemical fields, and severe weather, and more effective theories and methods of mechanics are required. This paper first gives the fundamental definition and the scientific connotation of extreme mechanics, then reviews the studies of extreme mechanics from three aspects: the extreme properties, the extreme loads, and the discipline development, as well as major engineering and scientific challenges. The characteristics of extreme mechanics and major challenges in the aspects of mechanical theory,computational methods and experimental techniques are discussed. Prospectivei developments of extreme mechanics are suggested.     

考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究

微动疲劳是矿井提升钢丝绳主要失效形式之一,在钢丝微动疲劳过程中,微动磨损严重影响钢丝微动疲劳裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳断裂机制,故开展考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究至关重要. 运用自制钢丝微动疲劳试验机开展钢丝微动疲劳试验和拉伸断裂试验,通过高速度数码显微系统揭示微动疲劳过程中钢丝微动磨损演化、裂纹萌生和扩展及断裂特性,基于摩擦学和断裂力学理论,运用有限元法、循环迭代法和虚拟裂纹闭合技术建立了考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并进行试验验证. 结果表明:采用微动疲劳过程稳定阶段磨损系数预测钢丝微动磨损演化可保证预测正确性,微动疲劳过程中钢丝主要为I型裂纹扩展模式,考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测值和试验值吻合较好,验证了预测模型正确性.      

考虑节点损伤的钢框架结构分析模型

钢框架结构在强震作用下将进入非线性状态,结构的刚度和强度等力学性能随之降低,从而影响到结构以后的抗震性能.本文利用断裂力学的基本原理,通过对栓焊节点存在焊缝裂纹的钢框架刚性连接节点的分析,推导了裂纹的有效长度和有效深度,获得了有损伤刚性连接节点的M-θ关系;并推导了节点有损伤的梁单元刚度矩阵.在数值计算的基础上分析了节点刚度变化对框架结构内力的影响,结果表明节点损伤对结构内力分析影响显著,对有损伤钢框架结构进行承载力评估时必须考虑节点损伤的影响.     

土冻结作用研究近况

本文回顾了30多年来我国冻土力学领域研究的发展过程,着重介绍了我们在土冻胀与冻胀力基本规律以及应用研究方面的进展近况。      

并行计算结构力学的发展和展望

本文简要介绍了结构力学中并行分析方法的发展概况及笔者在这个领域所作的主要工作,并对该领域的未来发展趋势作了展望;指出并行机和并行算法在未来的科学研究和工程分析计算中,必定成为一种重要的工具和必不可少的方法．