多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著建筑、航天等領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)美觀、靈活的需求的增長(zhǎng)，多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，對(duì)其構(gòu)造形式、設(shè)計(jì)方法以及力學(xué)分析方面均展開了廣泛研究;本文在總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，給出了一種多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架。結(jié)合多算例介紹平面和空間多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及形態(tài)分析過程，引入新型伸縮桿結(jié)構(gòu)到多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，并對(duì)此伸縮桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)及有限元對(duì)比分析。
　　從機(jī)構(gòu)分析理論出發(fā)，在傳統(tǒng)剪式機(jī)構(gòu)中引入鉸接節(jié)點(diǎn)或可伸縮桿件，形成具有多自由度的多

2、鉸剪式機(jī)構(gòu)和可伸縮剪式機(jī)構(gòu)。對(duì)多個(gè)典型平面可伸縮剪式機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析及位置求解，結(jié)合其位置解求解結(jié)果，采用基于約束Jacobian矩陣方法計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目。對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)形式，通過MAPLE求得其位置解析解;對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)形式，通過MATLAB求得其位置數(shù)值解。考慮到采用數(shù)值Jacobian矩陣僅反映當(dāng)前坐標(biāo)值下機(jī)構(gòu)自由度情況，選取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程多個(gè)位置坐標(biāo)解，以驗(yàn)證機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算的正確性。對(duì)一基本可伸縮剪式機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同支座約束情況下的機(jī)構(gòu)分

3、析，通過位置解析解找到了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的奇異值點(diǎn)，并通過約束Jacobian矩陣方法計(jì)算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全過程自由度，驗(yàn)證理論推導(dǎo)正確性。對(duì)于復(fù)雜平面可伸縮剪式機(jī)構(gòu)，考慮到求解非線性方程的困難，給出其位置的數(shù)值解，采用蒙特卡洛方法，在機(jī)構(gòu)構(gòu)造允許范圍內(nèi)對(duì)可伸縮桿件伸縮量進(jìn)行隨機(jī)抽樣，得到在不同伸縮量下機(jī)構(gòu)的位置解，并采用約束Jacobian矩陣方法計(jì)算各位置自由度。結(jié)合平面剪式機(jī)構(gòu)約束方程，給出了空間剪式機(jī)構(gòu)約束方程和空間可伸縮桿件約束方程，并

4、結(jié)合一空間可伸縮剪式機(jī)構(gòu)算例，采用約束Jacobian矩陣計(jì)算其不同伸縮桿數(shù)量下的自由度數(shù)目，驗(yàn)證了約束方程的正確性。
　　基于剪式機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析結(jié)果，結(jié)合多算例對(duì)平面和空間剪式機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)造和幾何優(yōu)化，給出了一種新型的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效趨近多目標(biāo)形態(tài)，并實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)形態(tài)間變換。以平面剪式機(jī)構(gòu)為例，給定初始和目標(biāo)曲線P0和P1，采用此形態(tài)設(shè)計(jì)方法，以機(jī)構(gòu)形態(tài)最趨近給定曲線為優(yōu)化目標(biāo)，以機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)和自由度相關(guān)變量

5、為優(yōu)化變量，建立機(jī)構(gòu)約束條件，通過fmincon函數(shù)進(jìn)行有約束條件的最小值優(yōu)化求解，確定機(jī)構(gòu)始末形態(tài)。選取機(jī)構(gòu)變換路徑中有限個(gè)中間時(shí)刻，驗(yàn)證優(yōu)化機(jī)構(gòu)的過程可動(dòng)性。根據(jù)已有平面剪式機(jī)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行柱面和回轉(zhuǎn)面空間剪式機(jī)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì);提出柱面空間剪式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，對(duì)多種回轉(zhuǎn)面空間剪式機(jī)構(gòu)基本單元進(jìn)行幾何和運(yùn)動(dòng)分析，提出一種新型空間基本剪式單元，并將其引入空間剪式機(jī)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì)。對(duì)上述優(yōu)化后平面和空間剪式機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)-制動(dòng)方式討論，完成機(jī)

6、構(gòu)到多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，并對(duì)此多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行ABAQUS靜力分析，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)方案的可行性，以及此多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
　　論文的最后提出了一種新型伸縮桿結(jié)構(gòu)，其主要由外側(cè)方鋼殼、可伸縮短管、連接彈簧、加勁板及端部連接板等組成，對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析，及細(xì)部構(gòu)造有限元模擬，得到了受力合理的伸縮桿構(gòu)造;結(jié)合多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)中桿件尺寸，提出完全對(duì)稱伸縮桿結(jié)構(gòu)、彈簧不對(duì)稱伸縮桿結(jié)構(gòu)和方鋼不對(duì)稱伸縮桿結(jié)構(gòu)三種構(gòu)型，對(duì)三結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了正常使用和承載能