多维减振平台主体机构的设计理论与应用研究

作     者：尹小琴 

作者单位：江苏大学 

学位级别：博士

导师姓名：马履中

授予年度：2005年

学科分类：12[管理学] 083002[工学-环境工程] 1204[管理学-公共管理] 120402[管理学-社会医学与卫生事业管理(可授管理学、医学学位)] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 

主      题：多维减振平台 并联机构 弹性阻尼系统 设计理论 参数优化 

摘      要：多维振动是自然界的一种普遍现象，也是影响各种机械设备、精密仪器仪表、车载、船载、航空航天等相关设备的性能和使用寿命的主要原因，因此，实施多维减振具有重要的现实意义。\n 本论文在国家自然科学基金项目“仿橡胶多维减振平台设计的系统理论与非线性解耦控制(50375067)的资助下，首次提出将并联机构用作多维减振平台的主体机构，并在机构原动件处辅以弹性阻尼系统，实现能量吸收及动力自适应平衡，从而实现多维减振。\n 全文主要对多维减振平台主体机构的设计理论（包括机构的型综合与优选、机构运动学设计、动力学设计）进行研究，通过大型机械动态分析软件ADAMS的仿真分析获得机构的各种参数，并进一步验证理论分析中所采用新方法的正确性;另一方面，从应用角度对整个多维减振平台系统进行振动分析，获得此类系统有别于常规多维减振系统的振动学特性（如系统的固有频率与主体机构的初始振动位置关系密切），这对多维减振的实施途径提供了一个新的方向。\n 首先将并联机构用作减振平台的主体机构，提出了此类减振平台设计的具体要求，并以并联机构拓扑结构型综合基本理论为基础，对并联机构的构型进行综合，得到可用作减振平台的并联机构型式若干，特别是三平移机型。\n 其次对所选用的3-RRC并联机构进行了运动学和动力学分析。运动学分析包括机构的位置、速度、加速度、工作空间、奇异位形等方面，其中位置分析涉及到非线性方程组的求解，其过程相对复杂，但是其复杂性与机构的结构型式密切相关。本文在初步优选机型的基础上，以3-RRC并联机构为例，通过矢量法进行位置正反解分析，了解到该机型解的数量及构型数量，特别是机型的解耦情况，该方法简单，运算量小;速度、加速度分析应用影响系数法避开了繁杂的求导过程，很容易将速度、加速度的正反解表达成显式形式，由此得到的一阶影响系数对于机构的奇异位形分析、动力学分析甚至减振平台的振动分析，都起到了至关重要的作用;工作空间分析主要以微分几何和集合论为工具，应用双参数曲线族包络理论进行讨论，得出3-RRC并联机构理论工作空间的解析表达式。动力学分析包括机构静力学与动力学两部分，首先将影响系数与虚位移原理相结合，对并联机构进行静力学分析，得到了平衡驱动力、主示力副反力及各支路运动副反力与动平台上作用的广义力之间的显式关系;其次采用达朗伯原理与虚位移原理相结合，构造并联机构动力学方程，得到了考虑构件惯性力的情况下平衡驱动力的大小。通过上述分析全面了解其机构学性能。\n 再次是运用ADAMS软件对3-RRC并联机构进行全面的运动学与动力学仿真以及进行参数优化分析，提出了空间并联机构运动学与动力学分析的仿真分析法。通过仿真，一方面可以对机构运动进行全程模拟，并进行相关参数测定，另一方面还可验证理论分析的正确性;参数优化可以得到合理的结构参数。\n 最后应用Lagrange方程对多维减振平台系统进行振动分析，由于系统的质量矩阵与主体机构的一阶影响系数矩阵紧密联系在一起，因此系统的固有频率与模态都表现出与机构的初始振动位置密切相关。通过实例的理论分析和虚拟设计，得到系统微幅振动的减振效果与部分性能指标。\n 总之，基于并联机构的多维减振平台系统是多维减振领域里的新理念、新突破，且具有结构简单，机型紧凑，精确度高，部分或完全解耦的机型易于控制等特点。因此，此类多维减振系统有望在多个行业得到应用。