微操作平台的动力学建模与分析课件.ppt

1、柔性多体系统动力学建模方法柔顺机构动力学建模方法微操作平台的静刚度分析微操作平台的动力学建模主要内容主要内容柔性多体系统动力学建模方法什么是柔顺机构？柔顺机构是一种利用机构中构件自身的弹性变形来完成运动和力的传递及转换的新型机构。它不像传统刚性机构那样靠运动副来实现全部运动和功能，而主要是靠机构中柔顺构件的变形来实现机构的主要运动和功能，它同样也能实现运动、力和能量的传递和转换。柔性多体系统指的是由多个柔性体或刚性体通过一定的方式相互连接而构成的多体系统。什么是柔性多体系统？柔性多体系统动力学建模方法o 1 运动弹性动力学（KED）建模方法 运动弹性静力分析(KES)：假设弹性系统中的刚体惯性

2、力和外力为静载荷，并把机构假设为运动着的弹性体，从而求得机构的运动学、动力学参数以及弹性变形的准静态解。fffffrrK qQM qffK为构件的结构刚度矩阵；fq为构件的弹性变形坐标矩阵；fQfrrM q 分别为外力和等效惯性力；运动-弹性动力学方法(KED)：Winfry于1971年提出。分析过程为：先对系统进行多刚体动力学分析，计算出与惯性力有关的刚体运动的加速度，然后再进行结构动力学分析。柔性多体系统动力学建模方法rrrrffffffffrrM qQM qK qQM qrrMffMrQfQ为系统刚体运动和弹性运动的质量阵；为外力阵；实质：对柔性系统做多刚体动力学分析的基础上再进行结构的

3、动力学分析，是对二者的简单叠加，其对非高速柔性体的动力学特性研究有着重要的指导作用。缺点：没有考虑柔性体变形运动对大范围刚体运动的影响和他们之间的相互耦合作用。因而对于轻质、高速、大柔度的现代机械系统 KED方法用于高精度分析的局限性日益暴露出来，已不能满足工程实际的需要。柔性多体系统动力学建模方法o 2 传统混合坐标方法 为了分析柔性系统中柔性构件的变形运动与刚性体大范围运动之间的耦合关系，也称为零次近似耦合建模方法。Meirovitch 1966年最先运用，Likins1972年最早提出概念 原理：首先为机构系统中的柔性体建立浮动坐标系，柔性体的变形运动被认为是由浮动坐标系的大范围刚体运动

4、和柔性体相对于浮动坐标系的变形运动的合成，浮动坐标系固结于刚性构件上。柔性多体系统动力学建模方法o 动力学方程形式：o 不足之处：该方法考虑了系统中柔性体弹性变形对大范围刚体运动的耦合作用，但没有考虑大范围刚体运动对柔性体动力学特性的影响。柔性多体系统动力学建模方法rqfq：大范围刚体运动的坐标变量：柔性体弹性变形运动坐标变量 0 00 rrrfrrrffffffrffMMqqQKqqQMMo 3 动力刚化问题的研究 1987年，Kane利用零次近似耦合建模方法对高速旋转的柔性悬臂梁作动力学特性分析时发发现，混合坐标建模方法得到的结果与实际情况截然相反，Kane对这种现象进行了详细地分析，并首

5、次提出了“动力刚化”（Dynamic Stiffening）的概念。根据参考坐标系选取的不同分为：浮动坐标系方法；惯性坐标系方法；共旋坐标方法。柔性多体系统动力学建模方法o 浮动坐标系方法：对于小变形和低速的大范围运动的情况有较佳的计算效率与和精度，是目前柔性多体系统建模使用最广泛的方法。o 惯性坐标系方法：仅限于梁式构件，且是非线性大变形。o 共旋坐标方法：o 用于大位移，大转角和小应变结构的建模。柔性多体系统动力学建模方法o 4 一般刚-柔耦合动力学问题的研究o 上海交通大学的洪嘉振教授，主张放弃修正动力刚度项的改进模式，提出了基于连续介质力学和动力学分析理论的一次近似耦合动力学模型（MB

6、AI），对刚-柔耦合动力学建模理论、离散方法、实验研究、等方面开展了许多工作，并取得了一系列成果。柔性多体系统动力学建模方法o 伪刚体模型 优点是对杆的非线性变形进行简化处理。但仅适合分析构件截面较均匀、简单外载荷和精度要求不高的情况，而且对机构的运动范围有一定的限制。o 有限元法 Zhi Li和Kota采用有限元方法对柔顺机构的动力学性能问题进行了初步的分析。o 多刚体离散元法 利用弹性体的多刚体离散元分析方法，建立结构的多刚体弹簧阻尼系统模型，对结构进行静力和动力分，已有一些学者进行了研究。柔顺机构动力学建模方法有限元建模方法 梁单元模型空间梁单元平面梁单元 位移型函数T1(,)xx t

7、WN T2(,)yy t WN T2(,)zx t N T112 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0nnNT23456780 0 0 0 0 0 nnnnnnN1N2N x为构造的以的函数为元素的插值向量 式中：有限元建模方法11n 2n34531 10156n 3454(683)nL223455(33)2Ln345610156n3457(473)nL23458(2)2Ln 有限元建模方法/x L：相对于单元坐标系的相对坐标 o 单元动能有限元建模方法22200(,)(,)(,)11()()()()22LLayaxazpdWx tdWx tdx tTm xdxIdxdtdtdtT1()()

8、2rrTeMT0LeAdxMNN等效质量矩阵o 单元变形能22220(,)(,)1()()2LyxzWx tW x tVEAIdxxxT12eV K TT112200LLezE AdxIdx KN NN N单元刚度矩阵：有限元建模方法o Lagrange方程dTTVFdteeeeeM K FPQ梁单元动力学方程有限元建模方法：单元外加载荷的广义力列阵：系统单元刚体惯性力列阵eFeQ 微操作平台静刚度分析微操作平台结构及等效模型微操作平台静刚度分析 柔性支链模型11111LimbBGIGOKKKK微操作平台静刚度分析11()()CFCFGIMMMMKKKCC TT111222()()CMMMMM

9、CT C TT C TTT444333()()FMMMMMCT C TT C T同理：11()()GJGJGOOOOOKKKCCTT666555()()GOOOOOCT C TT C TTT777888()()JOOOOOCT C TT C T微操作平台静刚度分析11T234()()()ODDDDOLOOCKTKTOGIGODGIGOKKKKK微操作平台动力学分析质点M1：221111()()222dqTm微操作平台动力学分析平移分量：2211121()()244dqTm质点M2：22112231()()244dqTm旋转分量：2222 1213()1()2124m lm llT12212sin2()dlll 微操作平台动力学分析质点M3：只有平移23112Tm d质点M4：平动221411()22xdTm u质点M5：平动：2211151()()2242dxduTm221151()()2242xduyxTm内杆：外杆：微操作平台动力学分析旋转：内杆：2251551()2 3muTll外杆：2251551()2 3muyTll222231245555221218()21 ()()2rinuuuuVKllllllllKqq系统势能：感谢各位光临指导！欢迎提出宝贵意见！