大挠度平面柔顺机构高精度建模理论与数值方法研究

基本信息
批准号:51805448
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:25.00
负责人:谢丹
学科分类:
依托单位:西南大学
批准年份:2018
结题年份:2021
起止时间:2019-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:马秀腾,胡嫚,王锋,贾翔鹏
关键词:
高阶应变平面柔顺机构高精度模型数值方法几何非线性
结项摘要

Without the use of traditional hinges, compliant mechanisms can realize the transfer of motion or force by elastic deformation. Due to the advantages of simple structure, high accuracy, free maintenance and contact compliance, compliant mechanisms have become a research focus in such fields as MEMS, micro-nano positioning platform, and Tri_Co robots. However, compliant mechanisms are often accompanied by the large deflection which greatly increases the difficulty and complexity of design and analysis. Therefore, the project is proposed to build a high precision model of compliant mechanisms which can reveal the geometric nonlinearity exactly and at the same time can be of formatted numerical expressions. Firstly, the relationship between displacement and strain is fully considered with the high-order strain and coupling effects of longitudinal and transverse deformation; secondly, combined the constitutive relation of material and boundary conditions, the Galerkin weak form about the plane elastic statics is obtained by the principle of minimum potential energy; lastly, an element-free numerical approach is adopted for the spatial discretization of the system based on the generalized moving least squares which are used for the description of the displacements and derivatives. The approved high accuracy model and numerical methods are applied to the partial compliant crank rocker mechanisms and the bistable mechanisms of high-order buckling to explore the transmission mechanism between force and motion, for example, the coupling rules, stiffness effect of loading, fine-grained stiffness characteristics of buckling and post buckling and so on. This study can provide a calculation approach of high precision and high universality for the design and analysis of compliant mechanisms.

利用弹性变形实现运动功能的柔顺机构,具有结构简单、免维护且精度高等优势,是微机电系统、微纳定位平台、共融机器人等领域的研究热点。然而,柔顺机构工作时常伴随着复杂的大挠度变形,给设计和分析带来很大困难。针对平面大挠度的几何非线性特征,在变形位移与应变关系中充分考虑纵横变形的耦合效应并计及高阶应变项,根据弾性静力学的最小势能原理,推导能够准确反映大挠度平面柔顺机构几何非线性效应的高精度伽辽金弱式;基于无网格法,以几何离散点为控制点,应用易于构造高阶形函数的广义移动最小二乘算法拟合变形位移及其一阶导数变量,最终推导出高精度静力学模型的规范离散格式和数值计算流程。对部分柔顺曲柄摇杆机构和具有高阶屈曲变形的双稳态机构进行高精度建模和数值求解,探索其纵横位移耦合规律、载荷刚化效应、近屈曲和后屈曲细粒度刚度变化特性等静态力/运动传递机理,为柔顺机构的设计分析提供高精度和高普适性计算手段。

项目摘要

针对以均质细长弹性梁为柔性构件的平面柔顺机构,通过采用Bernstein多项式逼近柔性梁弯曲曲率,提出了一种适用于大挠度强几何非线性弹性静力学分析的低维参数化曲率模型,并给出了基于高斯积分和牛顿拉弗森迭代的数值求解算法。该建模方法的特点是直接以柔性梁弯曲应变即曲率为基本未知场函数,以Bernstein多项式试函数的待定系数为基本未知量,基于最小总势能原理建立系统的几何非线性静力平衡方程。因而避免了传统基于位移的建模求解算法通过求导计算弯曲应变能引入的数值误差,并降低了试函数的光滑性要求,建模精度高、数值计算收敛速度快且直曲梁通用。同时所求参数化曲率解与坐标系无关,具有丰富的几何和力学意义,既能实现刚体位移和柔体变形的统一建模,又能高效呈现细长梁大挠度弯曲复杂、丰富的变形信息。通过多个算例的建模分析,数值计算结果充分证明了本方法的有效性和优越性。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

DOI:10.16285/j.rsm.2019.1280
发表时间:2019
2

主控因素对异型头弹丸半侵彻金属靶深度的影响特性研究

主控因素对异型头弹丸半侵彻金属靶深度的影响特性研究

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2020.09.026
发表时间:2020
3

中国参与全球价值链的环境效应分析

中国参与全球价值链的环境效应分析

DOI:10.12062/cpre.20181019
发表时间:2019
4

卫生系统韧性研究概况及其展望

卫生系统韧性研究概况及其展望

DOI:10.16506/j.1009-6639.2018.11.016
发表时间:2018
5

基于公众情感倾向的主题公园评价研究——以哈尔滨市伏尔加庄园为例

基于公众情感倾向的主题公园评价研究——以哈尔滨市伏尔加庄园为例

DOI:
发表时间:2022

谢丹的其他基金

批准号:81572359
批准年份:2015
资助金额:70.00
项目类别:面上项目
批准号:81730072
批准年份:2017
资助金额:290.00
项目类别:重点项目
批准号:51475400
批准年份:2014
资助金额:85.00
项目类别:面上项目
批准号:51372130
批准年份:2013
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
批准号:51672154
批准年份:2016
资助金额:62.00
项目类别:面上项目
批准号:30972884
批准年份:2009
资助金额:35.00
项目类别:面上项目
批准号:51105321
批准年份:2011
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31200071
批准年份:2012
资助金额:22.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:60601003
批准年份:2006
资助金额:27.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51072089
批准年份:2010
资助金额:38.00
项目类别:面上项目
批准号:30300401
批准年份:2003
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31571327
批准年份:2015
资助金额:70.00
项目类别:面上项目
批准号:91631111
批准年份:2016
资助金额:83.00
项目类别:重大研究计划
批准号:31771426
批准年份:2017
资助金额:60.00
项目类别:面上项目
批准号:81172340
批准年份:2011
资助金额:57.00
项目类别:面上项目
批准号:30772334
批准年份:2007
资助金额:29.00
项目类别:面上项目

相似国自然基金

1

复杂大挠度分布柔度式柔顺机构的椭圆积分精确建模及设计方法

批准号:51605359
批准年份:2016
负责人:张爱梅
学科分类:E0501
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
2

平面折展柔顺机构设计理论与方法研究

批准号:51475037
批准年份:2014
负责人:邱丽芳
学科分类:E0501
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
3

大变形空间柔顺机构的几何精确建模与高效仿真方法研究

批准号:11602228
批准年份:2016
负责人:张志刚
学科分类:A0704
资助金额:22.00
项目类别:青年科学基金项目
4

柔顺机构拓扑优化中铰链形状的实时重塑理论与方法

批准号:51605166
批准年份:2016
负责人:朱本亮
学科分类:E0501
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目