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1、中南大学大学生创新训练项目项 目 申 请 书(理工类)项目名称：基于反作用力响应盲区影响的重载装置刚柔体动力学建模研究申 请 人： 孙洁洁 所在班级： 机械0912班 指导教师： 学科专业： 机械设计制造及其自动化 所在单位： 机电工程学院 联系电话： 15200861243 E - MAIL： 申请日期： 2011年6月1日 中 南 大 学2011年6月填 写 说 明1本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要。2本申请书为大十六开本（A4），左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。3申请人所在学院认真审核，签署意见后，将申请书（
2、一式两份）报送本科生院特色教育办公室。一、简况项目名称基于反作用力响应盲区影响的重载装置刚柔体动力学建模研究所属学科机械工程批准经费20000起止年月2011年 3月至 2013 年 3月申请人姓名孙洁洁性别男民族汉出生年月1990.9身份证号320323199009200639电话15200861243学号0806091428指导教师职务职称电话项目参与人性别出生年月班级学院学号电话孙洁洁男1990.9机械0912班机电工程学院080609142815200861243吴书舟男1991.9机械0912班机电工程学院080609142415200868385高雨男1991.10机械0912机电
3、工程学院080609142518643996977李帅男1987.3机械工程09级机电工程学院09371113213875942420申请人曾参与和本项目相关科研的情况具有开拓创新的精神，曾参加“金工大赛”和中南大学创新创业项目，对于机械原理、机械设计、机构学、机器人学等学科拥有扎实的基础和良好专业技能，并能熟练应用cad 、proe、ansys、adams等三维和仿真软件。指导教师承担本项目相关科研课题情况项目情况简介在重载装置动力学建模方面，通常把系统简化而忽略了很多因素的作用，使得建立的系统模型难以解耦，也影响了后续的控制研究精度。本研究在分析机械系统出现反向微动时主动力和从动力变化规律
4、的基础上，提出了反作用力响应盲区的概念，尝试建立考虑运动副摩擦情况下的重载装置动力学模型，并且在研究反作用力响应盲区内各运动副反力的不确定性与重载装置动力学模型奇异性的基础上，试图提出运动副的接触摩擦状态的判断方法，建立相应的摩擦约束方程，使重载装置动力学模型完整可解。同时根据重载机械系统动态稳定条件及摩擦约束条件，得出重载装置整体的转化机构的统一动力学方程，分析其力封闭性和承载能力 ，建立拓扑同构及变元优化设计的数学模型。二、课题论证（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）1 立项依据(研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科
5、学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录)1.1机械系统及其动力学研究现状与发展趋势当今世界正经历着一场新的技术革命。新概念，新理论，新方法，新工艺不断出现。作为向各行各业提供装备的机械工业，也得到了迅猛的发展。现代机械工业日益向重载，高速，高精度，高效率，低噪声等方向发展，对机械提出的要求也越来越苛刻。然而作为国家基础制造能力表征的巨型重载操作装备，如：重载塔吊装置，重载输送装置，重载锻造操作装置，履带式起重机等等，其设计与制造水平远远落后于发达国家。例如：国内最大的锻造操作机夹持的最大重量是北方重工的200t，但
6、是其整机水平还有待于进一步验证；而德国的西马克公司已经超过了300t，载重力矩630tm并且能够实现和压机的联动1；欧洲起重机的平均吨位在800吨，而我国目前这一数字却不到200吨2。我们国家在巨型重载操作装备上迟迟不能缩短与世界领先水平的差距已经严重的阻碍了国民经济的建设，国家大战略工程的全面推进迫在眉睫。造成这种局面的原因是多方面的，其中未能充分考虑重载装置运动副的摩擦特殊性对机械系统动力学的影响是造成巨型重载操作装备设计水平低、设备性能落后的重要原因之一。摩擦广泛存在于工程实际中。在轻型机械中，摩擦对轻载机械系统的动力特性不会产生很大的影响，但是巨型、重载和高速是现代机械的一个重要标志和
7、发展方向，随着运动速度和精度的提高，运动副之间的摩擦不容忽视。而巨型重载装置运动副的摩擦特殊性更主要体现在：在巨型重载装置的传动过程中，两构间之间传递的力非常大，并且力的方向在短时间内急剧变化，造成两构件相互接触的表面之间的摩擦力很大以及摩擦力方向不确定。在对巨型重载装置进行机械系统动力学分析时，如果仍旧按照以前常用的分析方法，例如采用牛顿-欧拉（Newton-Euler）法3-7、拉格朗日（Lagrange）8-10、虚功原理法3,11-13、凯恩（Kane）法14、旋量法14，15等建立动力学模型，或者采用经典的库伦摩擦力模型，仅仅是考虑摩擦力与摩擦圆相切的情况（即动摩擦状态），或者采用M
8、etrikin V.S.等所提到的用一种对库伦静摩擦已经改进了的模型16，或者采用Jon Juel Thomsen 和Alexader Fidin用解析近似法对速度依赖动摩擦模型求解17，忽略或简化摩擦力对巨型重载系统动力学的影响、响应顺应性的影响、响应灵敏度的影响，是不可能得到精确的结果，不能满足精确控制巨型重载装置的要求，并且对以后更加深入的研究和发展巨型重载装置的设计以及制造形成难以逾越的屏障。近年来，随着现代数学理论的不断发展，一些现代数学工具，如李群、李代数、微分流形和黎曼流形等开始应用于动力学建模和控制以研究系统的动力特性18-20。Spong使用Hamilton原理和黎曼几何等工
9、具揭示了机械系统动力学的几个特性21，研究得出机械系统动力学简化模型存在的几个特性，研究得出机械系统动力学简化模型存在的条件，对于指导机械系统控制和机械系统设计大有用处。Liu等基于李群和李代数的基本理论22，利用Newton-Euler和Lagrange形式给出了一种通用的坐标不变的刚体动力学建模数学框架，表明机械系统动力学建模和控制可以采用统一的几何框架。目前利用现代数学进行动力学的研究的人已经比较多，但确少有学者利用物理方法研究机械系统动力学。运动副的摩擦特性对重载机械系统动力学的影响，目前在国内外研究的很少。并且重载机械系统动力学因其自身的特殊性：构件体积大，重量大，构件之间传递力大，
10、大量的研究有待开展。如在动力学建模方面，要研究建立与所有构件及关节的质量、转动惯量、惯性力（矩）、连接方式、摩擦、阻尼和结构尺寸等诸多因素有关的精细模型，使其分析计算结果精度更高、更接近真值；在对精细模型定量分析研究的基础上，要考虑建立满足精度及控制要求的简化模型，追求最快求解速度；开展系统动力学响应的研究以指导动力学控制；研究并联机器人机构振动、平衡等问题以保证系统良好的动态性能23，24；研究考虑构件的弹性、运动副间隙、制造及安装误差等因素影响的系统高等动力学分析问题。总之，该方面的研究前景十分广阔，其难度也是不言而喻的。为了考虑运动副的摩擦对重载装置系统的影响，我们以压杆式重载夹持装置为
11、分析对象，首次提出了反作用力响应盲区的概念25-28，并且将这个概念推广到所有重载机械系统当中，应用这个理论可以把运动副的动摩擦和静摩擦都考虑在内以更准确的方法对重载装置系统动力学进行更深入的研究。1.2 反作用力响应盲区概念通过对压杆式重载夹持装置工作过程分析可知，夹钳抬起前，重载夹持装置处于夹持预紧状态，推力为驱动力，传递至钳口作用锻件的力为夹持预紧力（如图1所示）；当夹钳抬起时，夹持预紧状态变为夹持工作状态，钳口对锻件的夹紧力为驱动力，推力为阻力，重载夹持装置具备反向微动趋势，各运动副反力的方向也随之发生改变，从开始的与摩擦圆一侧相切，经与摩擦圆相割，再逐步过渡到与摩擦圆的另一侧相切（如
12、图2所示）。当夹紧力大于某一值时，重载夹持装置产生反向运动，导致夹持失效。 图1 重载夹持装置夹持预紧状态 图2 重载夹持装置夹持工作状态为了分析力流的传递规律，把重载夹持装置的力学模型进行简化，如图3和图4所示。 图3 预紧夹紧时的简化力学模型 图4 工作夹紧时的简化力学模型由图3和图4的力学模型可知，当机构处于预紧夹持时，输入为推力，输出为预紧夹持力；当机构处于工作夹持时，输入为所需工作夹持力，输出为推力。当输入的所需工作夹持力为临界夹持力时，即反向微动时，由机械效率公式推导夹持机构预紧夹持力和临界夹持力的变化关系得： (1)因，当机构未发生反向微动时，则： (2) (3)由公式（3）表明
13、，在推力不变的情况下，机构的夹紧力可以在到之间变化，即机构工作张力在到之间时，不会反映到推杆上。设： (4)称为夹持机构的反作用力响应盲区。设反作用力响应盲区大小的盲区特性系数为: (5)反作用力响应盲区特性系数，是提高夹持装置承载能力的重要参数12。1.3、各运动副反力的不确定性和经典刚体动力学模型的不完备性如图5所示，压杆式夹钳装置的机构简图：图5 压杆式夹持装置机构简图利用关联约束法29列出在考虑运动副摩擦时构件i动力学运动方程如下： (6)其中，、分别为第i-1构件作用在第i构件的力和力矩，、分别为第i+1构件作用在第i构件上的力和力矩； 是构件i的加速度；是连接构件i-1和构件i的运动副摩擦力矩，为该运动副约束反力到铰链中心的距离；是连接构件i和构件i+1的运动副摩擦力矩，为该运动副约束反力到铰链中心的距离。 其计及运动副摩擦时的动力学运动方程一般形式为： (7) 其中为系统的质量矩阵，为系统的广义坐标矩阵，为系统的位置约束方程， 为拉格朗日乘子，为系统的广义力矩阵。 ，（i=1,2,K； l=1,2,M ； j=1,2,N), 和分别为第i个构件上受到的力和力矩，为第l个移动副摩
