机械设计中的刚柔耦合问题研究

第２８卷第４期　２０１２年７月　秣杯上程　Ｆ０ＲＥＳＴ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．４　Ｊｕｌｙ，２０１２　齿轮倒角机刚柔耦合模型建模及仿真研究　姜雪松　（东北林业大学工程技术学院，哈尔滨１５００４０）　摘要：采用混合建模的仿真分析方法，运用机械造型软件Ｐｒｏ—Ｅ和多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ建立倒角机的刚柔耦　合虚拟样机模型，并对其进行具体的仿真分析。研究结果表明，使用硬质合金刀具，齿轮倒角机在工作时震动小，工作较　平稳；仿真分析过程中，选择最少２个旋转分布的铣刀片已能得出仿真数据且保证其精度，增加铣刀数目会带来建模困难　和降低仿真速度。该建模方法和仿真分析对齿轮倒角机结构的优化设计提供依据。　关键词：齿轮倒角机；刚柔耦合；混合建模；仿真研究　中图分类号：ＴＧ　６１；Ｓ　７７６．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—００５Ｘ｛２０１２）ｏ４—００３７—０４　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｉｇｉｄ－Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｇｅａｒ　Ｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｊｉａｎｇ　Ｘｕｅｓｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００４０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａ　ｒｉｇｉｄ—ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｇｅａｒ　ｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ　ｍａ—　ｃｈｉｎｅ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｐｒｏ—Ｅ　ａｎｄ　ＡＤＡＭＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｏｒｋｓ　ｓｍｏｏｔｈｌｙ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｉａｍｏｎｄ—ｃｏａｔｅｄ　ｃｅｍｅｎｔｅｄ　ｃａｒｂｉｄｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ｔｗｏ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｃｕｔｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｃｕｔｔｅｒｓ　ｗｉｌｌ　ｂｒｉｎｇ　ｄｉｆｆｉ－　ｃｕｈｉｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｌｏｗ　ｄｏｗｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｃｈａｍｆｅ－　ｒｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒ　ｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｒｉｇｉｄ・ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　国内外学者在运用刚柔耦合模型进行模拟仿真　计算的研究方面，已经具备成型的理论及广泛的实　际应用　－３］。针对实际机构在运行中存在柔性体的　结构特征，在虚拟仿真分析时将整个系统都作为柔　性体，会增加系统仿真分析的复杂程度和计算量，　对于有些受力小、刚性大的构件，其本身在运动中　的柔性特征就不是很明显，所以可以将这些构件视　为刚性体，而那些受力大、刚性小，在运动中柔性　特征非常明显的构件，在仿真中必须视为柔性体，　这样构建的模型才可以准确反映其自身的运动特　性。为此，在研究和分析的基础上，针对系统内部　构件刚性差异较大的特点，提出了基于刚柔耦合方　收稿日期：２０１２—０２—１３　基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目（ＤＬ１０ＢＢ０６）　第一作者简介：姜雪松（１９７９一），男，黑龙江佳木斯人，博士　研究生，讲师。研究方向：现代机械设计理论与方法、工业工程。　引文格式：姜雪松．齿轮倒角机刚柔耦合模型建模及仿真研究　［Ｊ］．森林工程，２０１２，２８（４）：３７—４０．　法进行整机系统模型的建立与仿真，可以避免对模　型的大量简化而引起的结果误差，同时也降低了微　分运动方程的求解难度。　在解决类似问题中，很多学者运用Ａｎｓｙｓ解决耦　合场问题，在求解非线性问题上，更多地运用　ＡＢＡＱＵＳ和Ｍａｒｃ等有限元分析软件。例如，蔡玉俊　等提出运用了ＡＢＡＱＵＳ模拟研究了高速切削切屑的形　成过程　Ｊ。谢卿阳运用ＡＢＡＱＵＳ建立了淬硬钢高速正　交切削有限元模型，并进行分析运算的方法　Ｊ。　对于接触问题的研究，因其高度非线性分析，各　类仿真研究广泛的应用。本文将运用ＡＤＡＭＳ多体动　力学分析软件对刀具与工件接触的模型进行研究，提　出对齿轮倒角机建立刚柔耦合模型的仿真研究。　１　仿真模型与物理样机的建立　ＡＤＡＭＳ是美国ＭＳＣ公司开发的机械系统动力　学及运动学仿真软件，因其强大的求解能力，使其　市场占有率居于同类产品之首。ＡＤＡＭＳ中ＡＵＴＯ／　Ｆｌｅｘ提供了刚体和小变形柔性体的直接建模方法，

可靠性问题在机械系统设计中的研究

【摘 要】随着科学技术的发展，对产品的要求不断提高，不仅要具有好的性能，更要具有高的可靠性水平。采用可靠性设计弥补了常规设计的不足，使得设计方案更加贴近生产实际。文章对机械可靠设计进行了概述，对其发展现状进行了分析，同时又介绍了机械可靠性设计的特点和原则。

【关键词】可靠性设计；机械产品；设计原则

机械产品大多是众多学科交叉的高新技术的载体。能否保证产品在运行过程中的安全可靠是机械产品竞争的焦点，这种竞争主要体现在产品可靠性的竞争，可见“物美、价廉”必须以可靠性工程作为后盾。我国机械产品的可靠性设计水平与国际先进水平相比还有相当大的差距，这已成为制约我国机械工业迅速发展的瓶颈，造成企业开发的产品质量的先天不足，使“质量第一、质量取胜”的经济战略方针在机械产品中难以充分体现。随着我国加入世界贸易组织，机械产品强制认证制度的推行，企业应该保证投放市场产品的质量，这种激烈竞争的状况将使政府部门和企业清醒地认识到可靠性工程在机械产品研发过程中的重要性。

1.机械可靠性简述

1.1定义

可靠性的定义：所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”。可靠性的概率度量称为可靠度。 1.2发展

可靠性技术的研究开始于 20 世纪20 年代，在结构工程设计中的应用始于 20 世纪 40 年代。可靠性技术最早应用在二战末期德国 v- ⅱ火箭的诱导装置上。德国火箭研究机构参加人之一

r.lusser 首先提出了利用概率乘积法则，把一个系统的可靠度看成该系统的子系统可靠度的乘积。自从 1946 年freuenthal 在国际上发表“结构的安全度”一文以来，可靠性问题开始引起学术界和工程界的普遍关注与重视。

当前，在确定性有限元基础上发展起来的随机有限元法已成为对随机参数结构进行不确定分析的十分有效的数值方法。张义民等应用随机有限元法和一阶可靠性技术对随机结构可靠性问题进行了研究，开辟了以一次二阶矩法、摄动技术、有限元理论和实用概率统计学为基础的现代结构可靠性分析与设计理论的新途径。

第３期（总第１４２期）　２００７年６月　机械工程与自动化　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．　

文章编号：１６７２—６４１３（２００７）０３—００９６—０３　

篦齿封严结构设计中的声固耦合问题研究　

李　罡　

（空军第一航空学院，河南　信阳４６４０００）　

摘要：篦齿封严结构是一种高效的非接触式密封装置，广泛地应用于航空燃气涡轮发动机等叶轮机械中。某型　

发动机在工作中，发生多次声固耦合共振问题，造成叶轮机的严重损坏。从一种便于工程应用的方法人手，对　

发动机的篦齿封严结构进行了声固耦合的计算分析，并给出相应的结构改进建议。　

关键词：篦齿封严；振动；声固耦合　

中图分类号：Ｖ２３５．１　文献标识码：Ａ　

０　引言　

对于象发动机机匣、发动机鼓筒及发动机封严篦　

齿这样的回转薄壁结构，声固耦合是一个经常遇到的　

问题。篦齿封严装置通常具有较大的排气面积，这种　

较大的排气面积可以将周向压力的变化趋势均匀掉，　

但当封严件出现周向波数为　的振动模态时，环腔内　

的气流也变为周向的行波气流，若在各环腔内出现的　

周向传播的声波频率与封严件的固有频率相近，则发　

生声固耦合。对于声固耦合的研究，目前主要有两类　

方法：一类是结构部分和流体部分均按有限元法离散；　

另一类则采用结构有限元和流体边界元耦合的方法。　

邹元杰口　对水下声结构建立了边界元积分方程和流体　

边界元／结构有限元耦合方程，而后在共轭子空间迭代　

法的基础上建立双重迭代算法，对板、加筋板和方箱　

等结构的声固耦合振动固有频率和振型进行了计算。　

王登峰Ｅ　从Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ声学波动方程出发，利用固体　

力学和声学的有限元方法，分别建立了结构和声场的　

有限元方程，并利用声固耦合的模态综合技术建立了　

声固耦合系统的动力学方程，再求解出声固耦合系统　

的固有频率和振型。Ａｂｂｏｔｔ　Ｅ４３对声固耦合问题进行了　

研究，并认为当封严装置的机械频率和声频比较接近　

刚柔耦合并联机器人动力学建模及仿真研究

1.前言

刚柔耦合并联机器人是一种新型的机器人技术，其特点是结合了刚体机器人和柔性机器人的优点，在运动控制、机械刚度、操作灵活性等方面具有很大的优势。本文旨在通过对刚柔耦合并联机器人的动力学建模及仿真进行研究，探索其在机器人领域的应用前景。

2.刚柔耦合并联机器人的概念和特点

刚柔耦合并联机器人是指将刚体机器人和柔性机器人结合起来，构成一种新型的机器人系统。其特点在于，将多个刚体部分通过柔性连接构成一个整体，在此基础上再进行机械臂设计及运动控制，使得机器人系统在运动中能够具备较高的柔性和韧性，同时兼备高刚度和高精度的优点。

与传统的刚体机器人相比，刚柔耦合机器人具有以下几个方面的特点：

（1）柔性连接：用柔性连接将多个刚体部分构成一个连续的机械臂结构，使得机械臂在操作时能够兼顾柔性和刚度。

（2）高韧性：由于采用了柔性部件，机械臂的韧性得到了提高，在进行协作任务时具有较好的适应能力。

（3）高效率：柔性部件的加入使得机械臂的运动更加平稳，能够在较高的速度下进行操作，提高了工作效率。 3.刚柔耦合并联机器人的动力学模型

为了更好地掌握刚柔耦合并联机器人的运动特性，需要对其进行动力学建模。在机器人运动学模型中，关节角度、连杆长度以及机器人末端的空间位置是非常重要的参数。在刚柔耦合机器人中，由于连接部件的柔性，连接部件的长度随时间和机器人的运动而变化。因此，建立刚柔耦合并联机器人的动力学模型需要考虑柔性连接部件的材料特性和节点运动方程。

在建立动力学模型时，可以采用Lagrange动力学方法。其中，Lagrange的动力学方程可以表示为：

Lagrange（T）- Lagrange（U）=d/dt（dL/d/dt（T））

其中T表示机械臂的运动状态参数，U表示势能，L表示机械臂的动能。利用该方程可以求解机械臂在运动过程中所受到的各种力。

4.刚柔耦合并联机器人的运动控制