剪式单元可展机构静力学分析与拓扑优化设计_杨毅

机械设计中的拓扑优化与结构分析近年来，随着科技的不断发展，机械设计领域也取得了长足的进步。

其中，拓扑优化与结构分析成为了机械设计中的重要环节。

本文将从拓扑优化和结构分析两个方面，探讨它们在机械设计中的应用和意义。

一、拓扑优化拓扑优化是指通过对机械结构的形状和材料进行优化，以实现最佳的性能和重量比。

在机械设计中，拓扑优化可以帮助设计师减少材料的使用量，提高结构的刚度和强度，从而达到轻量化和高性能化的目标。

在进行拓扑优化时，首先需要建立结构的有限元模型。

有限元模型是通过将结构离散化为若干个小单元，然后对每个小单元进行力学分析，最终得到整体结构的力学性能。

通过有限元模型，可以对结构进行应力、位移等力学参数的计算和分析。

接下来，通过对有限元模型进行拓扑优化算法的运算，得到最佳的结构形状和材料分布。

拓扑优化算法可以是基于演化算法、优化算法等多种方法。

通过不断迭代和优化，最终得到最优的结构设计。

拓扑优化在机械设计中的应用非常广泛。

例如，在航空航天领域，拓扑优化可以帮助设计师减少飞机的重量，提高其载荷能力和飞行性能；在汽车工业中，拓扑优化可以减少汽车的燃料消耗，提高其燃油经济性和安全性能；在机械制造领域，拓扑优化可以帮助设计师减少机械零件的重量和材料成本，提高其使用寿命和可靠性。

二、结构分析结构分析是指对机械结构进行力学分析，以评估其强度、刚度和稳定性等性能。

在机械设计中，结构分析可以帮助设计师确定结构的合理性，预测结构在工作过程中的受力情况，从而指导设计和改进。

结构分析的基本原理是通过对结构施加一定的载荷，计算结构的应力、位移和变形等力学参数。

常用的结构分析方法包括静力分析、动力分析和热力分析等。

静力分析是最常用的结构分析方法之一。

它通过对结构施加静力载荷，计算结构在静力平衡下的应力和变形。

静力分析可以帮助设计师评估结构的强度和刚度，确定结构的安全性和可靠性。

动力分析是对结构进行动力载荷下的分析。

它可以帮助设计师预测结构在振动、冲击和脉动等动力载荷下的响应和稳定性。

结构拓扑优化设计综述一、本文概述随着科技的不断进步和工程领域的深入发展，结构拓扑优化设计作为现代设计理论的重要分支，其在航空航天、汽车制造、建筑工程等诸多领域的应用日益广泛。

结构拓扑优化设计旨在通过改变结构的内部布局和连接方式，实现结构在承受外部载荷时的最优性能，包括强度、刚度、稳定性、轻量化等多个方面。

本文旨在对结构拓扑优化设计的理论、方法及其在各领域的应用进行系统的综述，以期为该领域的进一步研究和发展提供参考和借鉴。

本文将回顾结构拓扑优化设计的发展历程，介绍其从最初的试错法到现代数学规划法、智能优化算法等的发展历程，并分析各种方法的优缺点和适用范围。

本文将重点介绍目前结构拓扑优化设计中的主流方法，包括基于梯度的方法、启发式算法、元胞自动机方法、水平集方法等，并详细阐述这些方法的原理、实现步骤和应用案例。

本文还将探讨结构拓扑优化设计中的关键问题，如多目标优化、约束处理、计算效率等，并提出相应的解决方案。

本文将结合具体的工程案例，分析结构拓扑优化设计在实际工程中的应用情况，展望其未来的发展趋势和应用前景。

通过本文的综述，读者可以对结构拓扑优化设计有一个全面、深入的了解，为相关领域的研究和实践提供有益的参考。

二、拓扑优化设计的理论基础拓扑优化设计是一种高效的设计方法，它旨在优化结构的拓扑构型，以达到最佳的力学性能和经济效益。

这一设计方法的理论基础主要源于数学优化理论、有限元分析和计算力学。

数学优化理论为拓扑优化设计提供了框架和算法。

它包括了线性规划、整数规划、非线性规划等多种优化方法。

这些方法可以帮助设计者在满足一定约束条件下，寻求目标函数的最优解。

在拓扑优化设计中，目标函数通常是结构的某种性能指标，如质量、刚度、强度等，而约束条件则可能是结构的制造工艺、材料属性、边界条件等。

有限元分析是拓扑优化设计的核心工具。

它通过将连续体离散化为一系列有限大小的单元，利用单元之间的连接关系，模拟结构的整体行为。

园林修剪机器人臂端刀具优化设计与稳态分析龚宏彬;杨蹈宇;李立君;廖凯;侯振宇【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2024(46)8【摘要】我国园林绿化面积不断扩大,但园林修剪机设备目前处于半人工半自动化状态。

为此,提出并设计了园林修剪机器人,并对园林修剪机器人末端执行机构刀具进行优化设计与稳态特性研究,最终达到设备稳定修剪的目的;阐述了园林修剪机器人末端中机构的结构、工作原理及操作方法;以多种组合刀具为研究对象,利用ANSYS有限元分析以及其Ls-Dyna有限元显式求解程序对多种组合修剪刀具进行静力学分析、模态分析及动力学仿真计算,构建出应力值与应变值、刀具齿数、刃口形状的关系模型;然后,进行齿数、刃口形状对刀具进行稳态特性优化,研究稳态性能,找出刀具最优组合。

结果表明:最佳刀具组合为100齿双刃,其最大应力、最大应变值分别为5.3475×10^(6)Pa、2.6342×10^(-5)m/m,刀具共振频率为243Hz。

切割动力学仿真分析表明:刀具在切割外径8mm的树枝时,刀具修剪能量变化均匀,对树枝修剪产生的切割力呈现有规律的曲线,最大切割力为498N。

智能园林修剪机器人修剪试验结果表明:修剪刀具在不同的转速下进行园林修剪,呈现出良好的稳态特性,运行平稳,刀齿端磨损较少,无共振现象,达到了设计目标要求。

【总页数】9页(P33-41)【作者】龚宏彬;杨蹈宇;李立君;廖凯;侯振宇【作者单位】中南林业科技大学机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】S776.274;TP242【相关文献】1.硅片传输机器人手臂结构优化设计方法分析2.基于核环境下应急机器人机械臂结构分析与优化设计3.基于SolidWorks软件对工业机器人机械臂的结构优化设计和受力、模态分析4.基于拓扑优化的工业机器人大臂的轻量化设计与分析5.物流AGV机器人举升剪叉臂结构优化设计与分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

空间机构力学分析与优化引言空间机构是一种由刚性连杆和转动副连接而成的机械系统，具有广泛的应用领域，如航天器、机器人、自动化装置等。

在设计和开发空间机构时，力学分析和优化是至关重要的步骤。

本文将探讨空间机构力学分析的基本原理以及优化方法。

一、空间机构力学分析的基本原理1. 运动学分析运动学分析是研究机构构件几何运动关系的基本方法。

通过对机构连杆长度、连杆角度的计算，可以获取机构的位置、速度和加速度信息。

常见的运动学分析方法包括正解和逆解。

其中，正解是通过已知输入角度计算输出位置；逆解则是通过已知输出位置计算输入角度。

2. 动力学分析动力学分析是研究机构构件力学特性的方法。

通过计算机构的惯性力、滑动摩擦力和驱动力等，可以确定机构的动力学行为。

常见的动力学分析方法包括牛顿-欧拉法和拉格朗日法。

牛顿-欧拉法采用牛顿第二定律和欧拉方程建立动力学方程，适用于复杂的机构系统。

拉格朗日法利用广义坐标和拉格朗日方程，对机构的动能和势能进行求解，适用于简单机构。

二、空间机构力学分析的优化方法1. 结构优化结构优化是通过优化设计参数，使机构在给定约束条件下的性能指标达到最佳状态。

常见的结构优化方法有拓扑优化、形状优化和尺寸优化。

拓扑优化通过增加或减少材料以改变结构的刚度和质量分布，以达到最佳性能。

形状优化通过调整构件的几何形状，改变结构的应力场分布，以提高机构的强度和刚度。

尺寸优化通过调整构件的尺寸，以满足给定约束条件下的性能指标。

2. 运动学优化运动学优化是通过调整机构输入参数，使机构的运动性能达到最佳状态。

常见的运动学优化方法有速度优化和加速度优化。

速度优化通过选择输入角速度和数值方法，使得机构的输出位置速度满足特定的性能要求。

加速度优化通过选择输入角加速度和数值方法，使得机构的输出位置加速度满足特定的性能要求。

3. 动力学优化动力学优化是通过调整机构驱动力、摩擦力和惯性力等参数，使机构的动力学性能达到最佳状态。

基于蜘蛛网结构的伞状可展机构设计与分析SUN Jianwei;ZHANG Shiliang;KONG Fanchen【摘要】根据蜘蛛网结构的几何特点,建立了蜘蛛网的结构简化映射模型.在此基础上,以平面四杆曲柄滑块机构为可展单元提出了一种新型伞状可展机构.利用ANSYS Workbench软件对模型进行静力学分析与优化,给出了蜘蛛圆网结构模型中捕丝间距的最佳比例关系;同时,建立了蜘蛛网刚架模型的刚度矩阵,利用矩阵位移法给出了捕丝间的最优夹角.基于捕丝间距的最佳比例和捕丝最优夹角,提出了受力性能最佳的伞状可展机构,并对其静力学性能进行了仿真分析.结果表明:基于蜘蛛网结构模型优化后的伞状可展机构强度性能得到提升.最后,设计制造了展开直径为1.2 m的可展机构模型,并对其运动过程进行模拟,验证了模型展开与收拢过程的有效性.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2019(030)013【总页数】8页(P1613-1620)【关键词】蜘蛛网结构;伞状可展机构;最佳比例;强度分析【作者】SUN Jianwei;ZHANG Shiliang;KONG Fanchen【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TH1120 引言可展机构在航空航天工程中被广泛应用，如卫星天线、航天器等。

常见的可展机构以平面剪刀形为主。

杨毅等[1]对一种圆柱式折叠结构进行了静力学分析与拓扑布局优化，其基本单元就是剪式机构。

陈向阳等[2]分析了常见的一维和二维剪式铰结构的几何特点和可展条件,阐述了复杂剪式铰结构的设计方法和设计原则。

刘树青等[3]基于有限元方法对剪式折叠结构进行了力学特性分析。

这类可展机构通常具有较高的展收比，但是不具有伞状展开的特点。

伞状可展机构由于空间扩展的便利性和有效的承载能力而受到关注。

CAO等[4]提出了一种伞状的可展机构，基于可展开单元派生出了一系列具有各种网格形状的单自由度可展机构。

KORKMAZ[5]提出了一种基于RRCRR机构单元的新型的伞状机构。

拓扑优化研究方法综述结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。

目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。

1904年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。

自1964年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。

20世纪80年代初，程耿东和N.Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。

1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。

1993年XieYM和StevenGP提出了渐进结构优化法。

1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。

2002年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。

通常把结构优化按设计变量的类型划分成三个层次：结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

尺寸优化和形状优化已得到充分的发展，但它们存在着不能变更结构拓扑的缺陷。

在这样的背景下，人们开始研究拓扑优化。

拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。

寻求一个最佳的拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。

退化原理的基本思想是在优化前将结构所有可能杆单元或所有材料都加上，然后构造适当的优化模型，通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素，直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。

进化原理的基本思想是把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化，它通过模拟适者生存、物竞天择、优胜劣汰等自然机理来获得最优的拓扑结构。

退化法即传统的拓扑优化方法，一般通过求目标函数导数的零点或一系列迭代计算过程求最优的拓扑结构。

机械结构的拟静力学分析与优化设计从古代伊甸园中织布机的发明，到现代高速列车的研发，机械结构在人类生活中扮演着至关重要的角色。

机械结构的设计过程既要考虑功能性，也要考虑结构的稳定性和耐久性。

本文将介绍机械结构设计中的拟静力学分析与优化方法，以及其在实际应用中的价值。

一、拟静力学分析拟静力学分析是机械结构设计的基础，通过对结构在力的作用下的响应进行分析，预测和评估结构的稳定性和性能。

拟静力学分析主要包括有限元分析和刚体力学方法。

有限元分析是一种常用的数值分析方法，通过将结构划分为有限数量的小元素，再利用有限元法将其近似为连续介质，从而计算结构在力的作用下的应变和应力分布。

有限元分析具有较高的精度和灵活性，能够模拟各种复杂的边界条件和载荷情况。

在机械结构设计中，有限元分析常用于预测结构的刚度、疲劳寿命和自然频率等性能指标。

刚体力学方法则是将结构划分为刚性体，通过分析结构中的力和力矩平衡条件，推导出结构的应力、变形和位移等参数。

刚体力学方法适用于简单的结构，具有计算速度快的优点。

在机械结构设计中，刚体力学方法常用于分析轻型结构、机构运动和静力平衡等问题。

二、优化设计优化设计是指根据指定的性能指标和约束条件，通过调整结构参数，使结构达到最佳设计目标的过程。

优化设计可以是单目标优化，也可以是多目标优化。

单目标优化是指通过调整结构参数，使得性能指标达到最优。

在机械结构设计中，常用的单目标优化方法有最小重量设计、最大刚度设计和最小应力设计等。

通过单目标优化，可以实现在满足特定约束条件的前提下，尽可能提高结构的性能。

多目标优化是指同时优化多个性能指标的过程，通过调整结构参数和权重系数，找到一个平衡的设计解。

在机械结构设计中，常见的多目标优化问题包括重量与刚度、保障性与经济性等的权衡。

多目标优化可以利用模糊最优解、非支配排序遗传算法等方法进行求解。

通过拟静力学分析和优化设计，可以实现机械结构的合理设计和优化。

在实际应用中，机械结构的拟静力学分析与优化设计具有广泛的应用价值。

考虑运动副间隙的剪式线性阵列可展结构动力学分析李博;王三民;袁茹;智常建【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2016(036)003【摘要】为了精确研究剪式线性阵列可展结构的动力学性能，在该机构的运动副中引入间隙，通过含间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。

基于 Gonthier 接触力模型和修正的 Coulomb 摩擦力模型分别计算了含间隙转动副元素之间的法向与切向接触力。

进一步把该接触力转换到间隙运动副所联接的杆件与滑块的质心处，并将其集成到剪式可展结构动力学模型的广义力中，从而成功地将关节间隙效应引入到可展结构中。

采用一种新的违约校正法直接对系统的坐标和速度进行修正，避免了数值结果的发散并可确保将违约控制在给定的精度范围内。

通过数值分析预测了运动副间隙对剪式线性阵列可展结构动力学性能的影响，为研究可展结构的运动精度和机构设计提供了参考和依据，拓展了间隙碰撞模型的应用范围，有利于工程实际应用。

【总页数】9页(P41-49)【作者】李博;王三民;袁茹;智常建【作者单位】西北工业大学机电学院，西安 710072;西北工业大学机电学院，西安 710072;西北工业大学机电学院，西安 710072;西北工业大学机电学院，西安710072【正文语种】中文【中图分类】V43【相关文献】1.运动副间隙耦合作用下平面剪式线性阵列可展结构的动力学分析 [J], 李博;王三民;袁茹;薛向珍2.基于剪式线性阵列可展结构对称性的动力学分析方法研究 [J], 李博;王三民;袁茹;智常建3.剪式单元阵列可展结构的动力学分析方法 [J], 彭麒安;王三民;智常建;李博4.剪式可展机构非线性动力学分析子系统方法 [J], 刘树青;王兴松5.剪式机构线性阵列可展结构的动力学特性研究 [J], 孙远涛;王三民;刘霞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

剪式机构阵列可展结构的静力学分析方法与应用研究刘国林;王三民;尚鹏【摘要】针对大型可展结构提出了一种新的结构静力学分析方法,克服了常规有限元方法在进行大型可展结构分析时计算量大、计算耗时长等缺点.首先建立了剪式单元机构的刚度矩阵,组装得到整体结构的刚度矩阵和有限元方程;然后通过等价变形,将总刚度矩阵表示成循环矩阵,有限元方程表示成离散卷积的形式;最后采用一种新的方法求解了卷积形式的平衡方程,得到了各铰链点的位移和约束力,提高了计算效率.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2014(025)004【总页数】6页(P461-466)【关键词】剪式单元;刚度矩阵;离散傅里叶变换;非齐次线性方程组【作者】刘国林;王三民;尚鹏【作者单位】西北工业大学,西安,710072;西北工业大学,西安,710072;西北工业大学,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】TH1120 引言可展结构是一种由收缩状态展开成预先设定的展开状态、承受载荷并保持稳定构型的结构，因具有可收缩、可展开的特点，在航空、航天和建筑领域具有广阔的应用前景。

可展结构可以看成是由某种类型的单元机构按照某种方式阵列而成，这是这种机构式结构不同于于其他结构的一个显著特点。

随着可展结构的广泛应用，许多学者在从事其构型设计、运动及动力学分析等方面的研究工作。

土耳其学者Gokhan等［1］以曲柄滑块机构为对象进行运动拓扑分析，发现了一种剪式单元机构构成环状可展结构和多面体可展结构的方法。

雅典学者Charis［2］采用剪式机构构成了平面和曲面可展结构，研究了其展开过程中的几何非线性现象和杆件的变形。

Karpov等［3－4］根据有限元理论，采用离散傅里叶变换，研究了不同单元构成的阵列组合结构的边值问题，并进一步研究了因构件尺寸误差产生的构件的初始装配应力的概率分布问题。

Stephen［5］利用传递矩阵法研究了阵列组合结构在不同的载荷和支撑下的弹性静力学问题。

机械结构的拟静力学分析与优化设计随着科技的进步和工程领域的不断发展，机械结构的设计和优化日益受到重视。

拟静力学分析与优化设计是这一领域中不可或缺的一部分。

本文将针对这一主题展开深入的探讨。

一、拟静力学分析的概念与意义机械结构的拟静力学分析是指在结构不发生运动或运动状态变化很小的情况下，对其力学性能进行分析。

它主要研究结构的受力状态、应力分布、变形性能等参数，并利用这些参数为结构的优化设计提供依据。

拟静力学分析可以帮助工程师准确评估机械结构的受力情况，优化结构设计，提高结构的性能和可靠性。

二、拟静力学分析的基本原理和方法1. 基本原理拟静力学分析基于牛顿第二定律和力的平衡条件，在分析力学的基础上，结合结构的几何形状和材料特性，建立结构的力学模型，并通过求解力学方程，得到结构的受力状态和变形情况。

2. 基本方法（1）有限元法有限元法是目前应用最广泛的一种拟静力学分析方法。

它将要研究的结构分割成有限个小单元，建立有限元模型。

通过对每个小单元进行力学分析，再将各个小单元组合起来，得到整个结构的力学行为。

（2）解析法解析法是指利用数学分析、解析几何和力学等知识，通过推导出数学表达式和解析解，直接计算出结构的受力状态和变形情况。

三、优化设计的概念与意义优化设计是指在满足设计要求的前提下，通过对设计变量和约束条件的调整，使设计目标函数达到最优值。

对于机械结构来说，优化设计旨在提高结构的性能和可靠性，降低制造成本，提高效率和可维护性。

四、机械结构的拟静力学分析与优化设计的流程1. 建立结构模型首先，根据实际情况，通过对结构进行几何建模，确定结构的材料特性、作用力和边界条件等。

然后，根据拟静力学分析的原理和方法，建立结构的力学模型。

2. 进行拟静力学分析利用已建立的结构模型，进行拟静力学分析。

通过求解力学方程，得到结构的受力状态、应力分布和变形情况。

3. 优化设计根据拟静力学分析的结果，分析结构的弱点和不足之处。

机械设计中的机构优化设计方法机械设计的核心在于设计出能够实现预定功能、具有良好性能的机构。

机构优化设计是指通过优化设计方法和技术来改进机构的结构和性能，以满足设计要求和提升机构的可靠性、效率和经济性。

本文将介绍几种常见的机构优化设计方法。

一、拓扑优化设计方法拓扑优化设计方法是通过对现有机构拓扑结构进行优化来改进其性能。

其基本思想是在机构结构中消除冗余材料，减小结构质量，提高机构的刚度和强度。

拓扑优化设计方法可以采用数值计算方法来确定结构的最优布局，如有限元分析方法、遗传算法等。

通过这些方法，可以得到更轻量化、更刚性的机构结构。

二、尺寸优化设计方法尺寸优化设计方法是通过对机构零部件的尺寸进行优化来改善机构的性能。

在机构设计中，各个零部件的尺寸参数对机构的性能有着直接的影响。

通过对零部件进行合理的尺寸设定，可以改善机构的刚度、强度等性能指标。

在进行尺寸优化设计时，需要考虑各个零部件之间的相互作用，以保证机构的整体性能和工作稳定性。

三、材料优化设计方法材料优化设计方法是通过选择合适的材料来改善机构的性能。

不同材料具有不同的物理和力学性能，通过选择合适的材料可以提高机构的刚度、强度和耐磨性等性能指标。

在进行材料优化设计时，需要考虑材料的力学性能、成本和可加工性等因素，以满足机构设计的要求。

四、动力学优化设计方法动力学优化设计方法是通过考虑机构的动力学性能来改善其运动性能。

在机械设计中，机构的动力学性能对于实现预定功能和保证机构正常运行具有重要意义。

通过运用动力学优化设计方法，可以优化机构的运动学和动力学性能，提高机构的工作效率和运动精度。

五、可靠性优化设计方法可靠性优化设计方法是通过考虑机构的可靠性要求来改善机构的可靠性性能。

在机械设计中，机构的可靠性对于延长机构的使用寿命和提高其安全性具有重要作用。

通过可靠性优化设计方法，可以对机构的可靠性指标进行整体优化，提高机构的寿命和安全性。

综上所述，机构优化设计方法是实现机械设计目标的重要手段。

基于拓扑优化技术的高性能剪力墙优化设计
张晓飞;章红梅
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2018(034)0z1
【摘要】剪力墙是高层建筑物重要的结构构件.剪力墙主要承受竖向力和水平作用力,其边缘构件的底部混凝土由于拉力作用容易开裂失效,从而出现局部损伤,导致整片墙过早的失去工作能力.为了使剪力墙有更好的工作性能和更优的材料布置,基于拓扑优化理论对钢筋混凝土剪力墙进行优化设计.首先应用Hyperworks软件中的拓扑优化程序对传统剪力墙进行优化分析,根据计算的结果,进行混凝土剪力墙钢筋笼的重新设计,然后利用有限元软件ABAQUS对钢筋笼优化布置之后的剪力墙模型进行竖向荷载和水平荷载共同作用下的推覆模拟分析.通过剪力墙优化前后的抗震性能有限元模拟分析对比结果表明,根据拓扑优化结果重新设计的剪力墙表现出更好的抗震性能,研究结果对类似结构设计具有参考价值.
【总页数】11页(P15-25)
【作者】张晓飞;章红梅
【作者单位】同济大学土木工程学院,上海200092;同济大学土木工程学院,上海200092
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于超单元技术的大型复杂结构的拓扑优化设计 [J], 李昂;刘初升
2.基于有限元技术的汽车支架拓扑优化设计研究 [J], 王亮;
3.基于有限元技术的汽车支架拓扑优化设计研究 [J], 王亮
4.基于拓扑优化技术的光电平台弹性轴优化设计 [J], 柳鸣;李丹妮;张国玉;侯升日;曹维国;刘英
5.基于多目标拓扑优化技术的齿轮结构优化设计 [J], 戴护民
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基于剪式单元的预应力索拱开合结构的分析研究
朱奕锋;赵伟;蔡建国;钱泽伦
【期刊名称】《钢结构》
【年(卷),期】2016(031)007
【摘要】基于剪式单元,结合预应力技术,开发出适用于中大跨度的预应力索拱开合结构.并以60 m跨度的预应力索拱开合结构为例,采用通用有限元软件ABAQUS 对其进行了运动过程分析、静力分析和整体稳定性分析,得到开启过程和闭合状态的受力特性,可为设计预应力索拱开合屋盖提供技术支持和参考.
【总页数】5页(P37-41)
【作者】朱奕锋;赵伟;蔡建国;钱泽伦
【作者单位】中冶建筑研究总院有限公司,北京100088;北京城建设计发展集团股份有限公司,北京100037;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京210096;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京210096
【正文语种】中文
【相关文献】
1.预应力钢桁架结构分析中的摩擦滑移索单元 [J], 魏建东
2.某斜拉式混合结构体系预应力拉索施工方案分析研究 [J], 郭影;刘烜;石林;王守超
3.虚拟层合单元与杆单元在桥梁预应力混凝土结构分析中的合成方法 [J], 黄侨;孙永明;唐海红
4.预应力结构非线性分析的索单元理论 [J], 张其林
5.预应力索结构中的索单元数值模型 [J], 张立新;沈祖炎
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图8 不同轭铁厚度对电磁力的影响启的状态㊂因此,在保证电磁力足以克服弹簧阻力使喷油器开启并保持稳定喷油的前提下,可通过减小轭铁的厚度来改善由于增加隔磁环带来的落座滞后时间延长的问题,缩短喷油器的落座滞后时间㊂图9 不同轭铁厚度对动态响应时间的影响4 实验测试验证为了对磁路结构改进方案的有效性进行验证,根据仿真结果对三种不同结构方案的喷油器进行加工试制并在喷油器动态响应特性测试仪上对其性能进行测试分析㊂其中方案1是轭铁厚度为0.9mm 的原始磁路结构;方案2是轭铁厚度为0.9mm 且增加隔磁环的新型磁路结构;方案3是轭铁厚度为0.5mm 且增加隔磁环的新型磁路结构㊂电控喷油器动态响应特性测试仪主要由喷油器驱动模块㊁线圈电流采集模块以及数字示波器等构成,其测量原理是通过监测示波器上线圈电流的拐点来确定喷油器的开启㊁落座滞后时间的,如图10所示㊂如图11所示,方案2与方案1相较,开启滞后时间缩短了0.25m s,但落座滞后时间增加了0.2m s;方案3与方案2的开启滞后时间相同,而落座时间缩短了0.5m s ;方案3与方案1相较,开启滞后时间缩短了0.25m s ,落座滞后时间缩短了0.3m s .实验结果表明:改进方法通过增加隔磁环以及减小轭铁厚度,能同时缩短喷油器的开启㊁落座图10喷油器动态响应特性测试仪图11 不同结构方案喷油器的动态响应性能对比滞后时间,全面提高喷油器的动态响应性能㊂5 结论(1)在磁路结构中增加隔磁环能提高磁通量的利用率,加快电磁力的上升速度,缩短喷油器的开启滞后时间,但同时由于增大了饱和电磁力,会导致落座滞后时间延长㊂(2)在保证电磁力足以克服弹簧阻力使喷油器开启并且保持稳定喷油的前提下,减小轭铁厚度基本不影响喷油器的开启滞后时间,但由于降低了饱和电磁力,因此能缩短落座滞后时间㊂(3)通过增加隔磁环㊁减小轭铁厚度的综合改进方法能同时缩短喷油器的开启㊁落座滞后时间㊂该方法简单有效,可为今后喷油器的设计改进工作提供一定的参考㊂参考文献:[1] 郭辉,张振东,孙跃东,等.电控汽油喷射器参数优化及性能测试研究[J ].中国机械工程,2010,21(18):2264‐2267.G u oH u i ,Z h a n g Z h e n d o n g ,S u nY u e d o n g ,e t a l .I n -v e s t i g a t i o no f P a r a m e t e rO p t i m i z a t i o n a n dM e a s u r e -m e n t o fP e r f o r m a n c e f o r a nE l e c t r o n i cG a s o l i n e I n -j e c t o r [J ].C h i n e s eJ o u r n a lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r -i n g,2010,21(18):2264‐2267.㊃8032㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.[2] D e a n C ,I r e n a C ,A l e k s a n d a rS .I m p r o v e d P e r -f o r m a n c e o f t h eE l e c t r o m ag n e t i cF u e l I n j e c t o r S o l e -n o i dA c t u a t o rU s i n g aM o d e l l i n g A p p r o a ch [J ].I n -t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fA p p l i e dE l e c t r o m a g n e t i c s a n d M e c h a n i c s ,2008,27:251‐273.[3] W a n g Q i l e i ,Y a n g F e n g y u ,Y a n g Q i a n ,e t a l .E x -p e r i m e n t A n a l y s i so f N e w H i g h ‐s pe e d P o w e rf u l D ig i t a l S o l e n o i dV a l v e s [J ].E n e r g y C o n v e r s i o na n d M a n a ge m e n t ,2011,52:2309‐2313.[4] L i uQ i a nf e ng ,B oH a n l i a n g ,Q i nB e n k e .D e s i gn a n d A n a l ys i s o fD i r e c tA c t i o nS o l e n o i d V a l v eB a s e do n C o m p u t a t i o n a l I n t e l l i g e n c e [J ].N u c l e a rE n g i n e e r i n ga n dD e s i gn ,2010,240:2890‐2896.[5] H i d e y u k iW ,S h i n y a I ,T a k a h i r oN ,e t a l .D e v e l o p -m e n t o fC o m p a c t a n dH i g hP e r f o r m a n c eF u e l I n j e c -t o r U s i n g E l e c t r o m a g n e t i c F i e l d S i m u l a t i o n [J ].S A EP a pe r ,2005‐32‐0019.[6] 林宝军,郭作扬,孙玮.电磁式燃油喷油嘴开启特性分析[J ].内燃机工程,1990,11(2):26‐31.L i nB a o j u n ,G u oZ u o y a n g ,S u nw e i .A nA n a l y s i s o f O p e n i n g C h a r a c t e r i s t i cf o r S o l e n o i d F u e lI n j e c t o r [J ].C h i n e s e I n t e r n a l C o m b u s t i o nE n g i n eE n g i n e e r -i n g,1990,11(2):26‐31.[7] 张付军,孙业保,黄英,等.电控喷油器流量特性的试验研究[J ].汽车工程,1994,16(2):80‐86.Z h a n g F u j u n ,S u nY e b a o ,H u a n g Y i n g ,e t a l .T h e R e s e a r c h o f E l e c t r o n i c ‐c o n t r o l I n j e c t o r ’s F l o w C h a r a c t e r i s t i c s [J ].A u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g,1994,16(2):80‐86.(编辑 王艳丽)作者简介:卢金和,男,1988年生㊂上海理工大学机械工程学院硕士研究生㊂主要研究方向为汽车发动机电子控制以及节能排放㊂张振东,男,1968年生㊂上海理工大学机械工程学院教授㊁博士研究生导师㊂程 强,男,1985年生㊂上海理工大学动力学院博士研究生㊂尹丛勃,男,1981年生㊂上海理工大学机械工程学院博士后研究人员㊂剪刀机构环形阵列可展结构的运动学与动力学研究袁 茹 王 剑 王三民 刘国林西北工业大学,西安,710072摘要:通过分析剪刀单元之间几何参数的关系,得到单元尺寸和单元数量与展开和收拢半径之间的约束条件;针对可展结构的组成特点,提出将单元机构法与运动影响系数法相结合,建立可展结构的运动学分析方法;将运动影响系数法与虚功原理相结合,形成了可展结构的动力学分析方法㊂通过算例证实了所建立的运动学和动力学分析方法的有效性㊂关键词:可展结构;剪刀机构;运动影响系数;单元机构法中图分类号:T H 113 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.17.008K i n e m a t i c s a n dD y n a m i c sA n a l y s i s o fR i n g A r r a y D e p l o ya b l e S t r u c t u r e sB a s e do nS L E Y u a nR u W a n g J i a n W a n g Sa n m i n L i uG u o l i n N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y,X i ’a n ,710072A b s t r a c t :F i r s t l y ,b y a n a l y s i n g t h e g e o m e t r i c p a r a m e t e rr e l a t i o n s h i p o fS L E ,t h er e l a t i o n s h i pa m o n g t h e e l e m e n t s i z e ,e l e m e n t n u mb e r a n d t h e r a d i u s o f t h e r i n g d e p l o ya b l e s t r u c t u r e sw a s o b t a i n e d i nd e p l o y e da n d f o l d e d c o n f i g u r a t i o n s .S e c o n d l y ,a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e r i n g a r r a y d e -p l o y a b l e s t r u c t u r e ,am e t h o dw a s a d o pt e d ,w h i c hw a s t h e c o m b i n a t i o no f u n i tm e c h a n i s m m e t h o d a n d i n f l u e n c e c o e f f i c i e n t m e t h o d ,a n dt h ek i n e m a t i c sa n a l ys i s m e t h o do ft h es t r u c t u r e w a se s t a b l i s h e d .T h i r d l y ,t h e i n f l u e n c e c o e f f i c i e n tm e t h o d a n d t h e p r i n c i pl e o f v i r t u a lw o r kw e r e c o m b i n e d t o f o r mt h e d y n a m a t i c s a n a l y s i s o f t h e s t r u c t u r e .A t l a s t ,t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h ek i n a m a t i c s a n dd y n a m i c sm e t h -o d sw a s c o n f i r m e db y a ne x a m pl e .K e y wo r d s :d e p l o y a b l e s t r u c t u r e ;s c i s s o r ‐l i k e e l e m e n t (S L E );k i n e m a t i c i n f l u e n c e c o e f f i c i e n t ;u n i t m e c h a n i s m m e t h o d0 引言空间可展结构是一种由收缩状态展开成预先设定的展开状态㊁承受载荷并保持稳定构型的结构,该结构在航天㊁航空㊁建筑等领域具有广阔的应用前景[1]㊂收稿日期:2013 04 12基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175422)P i n e r o [2]是较早研究可展结构的学者之一,他以剪刀机构作为单元机构设计出了可展结构并将其成功应用于开合式屋顶㊂Y o u 等[3]通过给定尺寸约束,将剪刀机构分成两类,讨论了它们的几何特性和构成平面环形可展结构的方法㊂Z h a o等[4]应用螺旋理论,从机构学的角度,研究了剪刀机构构成不同形状的可展结构的方法㊂杨毅等[5]应用带惩罚的变密度法(s o l i d i s o t r o pi c m a t e r i a l ㊃9032㊃剪刀机构环形阵列可展结构的运动学与动力学研究袁 茹 王 剑 王三民等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.w i t h p e n a l i z a t i o n ,S I M P )对剪刀机构进行了拓扑优化研究㊂K i pe 等[6]通过对曲柄滑块机构进行演绎,获得了多边形和多面体可展结构,其单元机构仍然是剪刀机构㊂L u 等[7]采用平衡矩阵法研究了剪刀单元构成的平面可展结构的运动学特性㊂C h a r i s [8]采用剪刀机构构成平面和曲面可展结构,并研究了其展开过程中的几何非线性现象和杆件的变形情况㊂1982年,T h o m a s 等[9]提出了机构的运动影响系数的概念,并指出 机构的运动影响系数与变化的运动参数无关,仅由机构的几何参数决定”㊂H u a n g 等[10‐11]采用影响系数法研究了6‐6R 机构的运动学和受力情况㊂在进行受力分析时,将方程个数从186降到6,大大简化了计算过程㊂国内外有许多学者在从事可展结构的研究工作,但是,关于可展结构展开过程的运动学和动力学的研究还很不成熟㊂本文首先探讨了构成环形可展结构的剪刀机构的几何参数之间的关系;然后依据剪刀机构环形阵列可展结构的特点,采用单元机构法分析了剪刀机构的运动学和动力学特性,获得其一阶和二阶运动影响系数;其次,结合运动影响系数法和单元机构法,分析了环形可展结构展开过程的运动学和动力学特性,为大型阵列组合机构的运动学和动力学分析提供了参考㊂1 环状阵列结构的构型分析剪刀单元机构如图1所示,由两个杆件A 1CB 1㊁A 2C B 2构成,A 1C B 1和A 2C B 2在点C 处铰接,设两杆件各段的长度分别为l 1㊁l 2㊁l 3㊁l 4,C A 1与C B 1夹角为β1,C A 2与C B 2夹角为β2,A 1B 2与A 2B 1夹角为α,C A 1与C A 2夹角为2θ,这些即为剪刀单元的位形参数㊂将相邻剪刀单元机构的A 1与A 2铰接,B 1与B 2铰接,即可构成环形可展结构,如图2所示㊂该环形可展结构由8个剪刀机构环形阵列组成㊂图1剪刀单元机构图2 剪刀单元机构构成的环形可展结构对于由n 个剪刀单元机构构成的环形可展结构,α可以表示为α=2π/n (1)相邻单元之间满足邻接条件,即有A 1B 2=A 2B 1,根据余弦定理,同时由θ在展开过程中的任意性,得几何构型条件:l 1=l 4l 2=l 3β1=β}2(2)或l 1=l 2l 3=l 4β1=β}2(3)对式(2),根据几何关系可以证明,O C 连线平分α角,并与连线A 1A 2㊁B 1B 2垂直,所以有t a nα2=l 3s i n (π-β2+θ)-l 1s i n θl 3c o s (π-β2+θ)+l 1c o s θ(4)整理式(4),同时结合θ的任意性,得l 3t a n α2s i n β2-l 3c o s β2-l 1=0l 3s i n β2+l 3t a n α2c o s β2-l 1t a n α2=üþýïïïï0(5)由式(5)得α+β2=πl 1=l }3(6)结合式(2),得β1=β2=π-αl 1=l 2=l 3=l }4(7)式(1)和式(7)即为剪刀单元机构环形阵列构成可展结构的机构尺寸要求㊂以下表达中,l 1㊁l 2㊁l 3㊁l 4统一用l 替代㊂各单元的中间铰接点C 位于以点O 为圆心㊁R 为半径的圆上,根据几何关系有l /s i n (α/2)=R /s i n (π-α/2-θ)(8)当完全展开时,点A 1和B 2㊁A 2和B 1分别重合,得到最大展开半径表达式为R m a x =l/s i n (π/n )(9)当完全收拢时,θ=0,点A 1㊁A 2重合,得到最小收㊃0132㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.拢半径表达式为R m i n=R m a x s i n (2π/n )(10)由此可见,剪刀机构环形阵列可展结构的收拢率为R m a x /R m i n =1/s i n (2π/n )(11)2 运动学分析对n 个剪刀单元构成的环形可展结构,按顺时针方向对各单元依次编号为1,2,,n ,如图3所示㊂图3 剪式机构环形阵列坐标系的建立以环形可展机构的圆心O 为原点,建立固定坐标系ΣXO Y ,其中O Y 轴过单元1的铰链点C ,在单元i 上建立动坐标系Σi x i O y i ,其中O y i 轴过单元i 的铰链点A 1㊁B 2㊂根据前述几何关系,O Y 轴与单元1中构件1的C A 1边夹角等于θ㊂由于动坐标系Σi x i O y i 与固定坐标系ΣXO Y 的原点重合于O 点,根据坐标系的旋转变换关系,得0r(i)C=R 0i i r (i)Ci =1,2, ,n (12)其中,0r (i)C为单元机构i 中C 点在固定坐标系Σ中的矢径,R 0i 为动坐标系Σi 到固定坐标系Σ的旋转变换矩阵,表达式为R 0i =co s (i -1.5)αs i n (i -1.5)α-s i n (i -1.5)αc o s (i -1.5)éëêêùûúúα(13)i r (i )C为单元机构i 中C 点在动坐标系Σi 中的矢径,表达式为i r (i)C=l s i n (θ+β/2)l s i n θs i n (α/2)+l c o s (θ+β/2éëêêêùûúúú)(14)单元机构i 中两构件C A 1㊁C A 2与固定坐标系O X 轴夹角表示为φ(i )=φ(i)1φ(i )éëêêùûúú2=1.5π-θ-(i -1)α1.5π+θ-(i -1)éëêêùûúúα(15)式(12)对时间t 分别求一阶㊁二阶导数,得C 点的速度和加速度方程为0v (i )C=0G (i)C rω(16)0a (i)C=0G (i )C r ε+0H (i )C r ω2(17)0G (i)C r=d 0r (i )C d θ=R 0i d i r (i)C d θ=R 0i [i r (i)C]θ0H (i)C r=d 0G (i )C r d θ=d 20r (i)C d θ2=R 0i [i r (i)C]θθ式中,0G (i )C r 为线运动一阶运动影响系数;0H (i)C r为线运动二阶运动影响系数;ω为角速度;ε为角加速度;下角标θ和θθ分别表示求以θ为自变量的一阶和二阶导数㊂将0G (i )C r =R 0i [i r (i)C]θ代入式(16)得i v (i )C x /i v (i)C y=ta n (i -1)α(18)式(18)说明展开过程中,铰链点C 的速度方向保持不变㊂式(15)对时间t 分别求一阶㊁二阶导数,得单元机构i 中两构件的角速度和角加速度方程分别为ω(i )=0G (i)θω(19)ε(i )=0G (i )θε+0H (i )θω2(20)其中,0G (i )θ=d φ(i)d θ=[-1 1]T ,称为角运动一阶运动影响系数,0H (i)θ=d 2φi d θ2i=[0 0]T称为角运动二阶运动影响系数㊂由0G (i )θ㊁0H (i)θ的表达式可知,同一个单元内构件1㊁2的角速度和角加速度大小相等,方向相反,各单元中构件j (j =1,2)具有相同的角速度和角加速度㊂3 动力学分析假设构成剪刀机构的两个构件的质心均在C点,可展结构的展开过程由位于点C 处的扭簧驱动㊂单元i 两构件的惯性力和惯性力矩分别表示为Q (i)F =-(m 1+m 2)0a (i)C(21)Q (i )T =-J (i )ε(i)(22)J (i)=J (i)100J (i)éëêêùûúú2Q (i )F =(Q (i )x ,Q (i )y )T Q (i )T =(Q (i )T 1,Q (i)T 2)T 式中,Q (i )x ㊁Q (i )y 和Q (i )T 1㊁Q (i )T 2分别为单元i 的构件1㊁2的惯性力和惯性力矩;J (i )1㊁J(i)2为单元i 的构件1㊁2相对各自质心的转动惯量㊂当单元机构发生虚位移Δθ时,单元i 的惯性力和惯性力矩所做的虚功可以表示为W (i )Q =Q (i )T T Δφ(i )+Q (i )T F Δr (i)C(23)式中,Δφ(i )与Δr (i)C为单元i 中两构件的角位移和C 的线位移㊂扭簧扭矩所做的虚功为W (i )T =T (i )T Δφ(i)(24)T (i )=(T (i )0,-T (i)0)T T (i )0=K (s 0-φ(i )2+φ(i)1)式中,K 为扭簧刚度;s 0为扭簧的初始形变㊂根据虚功原理,得㊃1132㊃剪刀机构环形阵列可展结构的运动学与动力学研究袁 茹 王 剑 王三民等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.∑ni =1(W (i)T+W (i)Q )=0(25)结合运动学公式,可得原定义的角加速度为ε=(m 1+m 2)ω2(i r (i )C )T θθ∑ni =1R T 0i (i r (i )C )θ+n (T (i ))T0G (i)θ-n (0G (i )θ)T (J (i ))T 0G (i )θ-(m 1+m 2)(i r (i )C )T θ∑ni =1R T 0i (i r(i)C )θ(26)可以证明∑ni =1R T0i =0,所以ε=2K (s 0-2θ)J (i )1+J (i )2(27)又因ε=d 2θd t2,积分得单元位形参数θ的时间表达式:θ=s 02+C S 2s i n (t 2C 0+ar c s i n 2θ0-s 0C S)(28)C S =(s 0-2θ0)2+2ω20C 0 C 0=2K J (i )1+J (i)2式中,2θ0㊁2ω0为单元1中构件1㊁2的初始夹角和相对角速度初始值㊂结合运动学公式可得各构件的角位移㊁角速度和角加速度及各铰链点位置的线位移㊁线速度和线加速度㊂4 算例以12个单元构成的环形可展结构为例,进行其运动学和动力学分析㊂取最大展开半径R m a x =4m ,由式(9)得l =1.035m ㊂取转动惯量J (i)1=J (i)2=10k g ㊃m 2,扭簧刚度k =0.2N ㊃m ,扭簧初始变形s 0=6π,初始条件θ0=0,ω0=0㊂根据式(28)得剪刀单元机构的角度参数θ表达式为θ=s 02+C S 2s i n (t 2C 0+ar c s i n 2θ0-s 0C S)结合运动学公式可得各构件的角位移㊁角速度和角加速度表达式㊂根据式(12)可得可展结构展开过程中的位形,如图4所示㊂图中,Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ分别表示完全收拢㊁半展开㊁完全展开状态的位形,径向射线表示各铰链点的轨迹线㊂根据图4,并结合式(18)可知,在展开过程中,各铰链点沿半径方向运动,轨迹为直线㊂A 1B 2与A 2B 1夹角α保持不变㊂根据式(12)得,单元1㊁4㊁7㊁10的点C 在x ㊁y方向的位移曲线分别如图5㊁图6所示㊂图5中铰链点C 1㊁C 7的x 方向的位移始终为0,图6中铰链点C 4㊁C10的y 方向的位移始终为0㊂根据式(16)得,单元1㊁4㊁7㊁10的点C 在x ㊁y图4 展开过程图5 铰链点C 1㊁C 4㊁C 7㊁C10在x 方向的位移曲线图6 铰链点C 1㊁C 4㊁C 7㊁C10在y 方向的位移曲线方向的速度曲线分别如图7㊁图8所示㊂图7中铰链点C 1㊁C7的x 方向的速度始终为0,图8中铰链点C 4㊁C10的y 方向的速度始终为0㊂图7 铰链点C 1㊁C 4㊁C 7㊁C10在x 方向的速度曲线根据式(17)得,单元1㊁4㊁7㊁10的点C 在x ㊁y方向的加速度曲线分别如图9㊁图10所示㊂图9中铰链点C 1㊁C7的x 方向的加速度始终为0,图8中铰链点C 4㊁C10的y 方向的加速度始终为0㊂㊃2132㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. 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