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1、大连理工大学专业学位硕士学位论文专 业 学 位 硕 士 学 位 论 文几种柔性机构振动特性的比较分析研究Comparison Research on Vibration Characteristics of Several Compliant Mechanisms 作 者 姓 名： 工 程 领 域： 车辆工程 学 号： 指 导 教 师： 副教授 完 成 日 期： 年5月 大连理工大学Dalian University of Technology摘 要无论在工程领域还是日常生活中，减振降噪都是人们所期望达到的效果。在低频降噪领域，新近提出的周期阵列柔性机构有广泛的应用前景。本文采用仿真分析的方法
2、，分析了柔性机构在正弦激励下的振动特性，利用ANSYS软件对周期阵列的柔性机构的单胞进行模态分析与谐响应分析，得到机构的固有频率、系统传递函数以及幅频响应，以此三项为评价指标，对比几种柔性机构的振动特性。首先，针对一种含单层支架的柔性机构，研究了其支架角度对机构振动特性的影响，根据仿真分析得到的机构质量、固有频率和振幅，验证了经理论推导的传递函数各系数所代表的实际意义，总结出了支架角度与传递函数系数的关系，能够精准地控制柔性机构的振动特性。其次，扩展出了几种基于单层支架柔性机构的变体机构，具体为两种情况下的双层支架柔性机构，圆柱形柔性机构，穿孔板柔性机构和蜂窝形支架柔性机构，与单层支架柔性机构
3、的振动特性进行对比分析研究，得出了机构的变体对振动特性的准确影响，同时分析了穿孔板柔性机构孔径对其振动特性的影响，与微穿孔板理论有很好的结合。为应用于减振降噪领域的柔性机构设计提供了准确参考。关键词：柔性机构；振动特性；传递函数；减振降噪- I -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 柔性机构研究现状21.3 本文的研究内容42 基础理论52.1 机械振动理论52.1.1 单自由度系统自由振动52.1.2 多自由度系统受迫振动82.2 固有频率112.3 传递函数132.4 有限元理论132.4.1 有限元基本思想132.4.2 振动问题的有限元法1
4、42.5 本章小结143 含有单层支架的柔性机构振动特性分析153.1 有限元仿真分析过程153.1.1 建立有限元模型153.1.2 有限元加载求解173.1.3 有限元后处理173.1.4 拟合传递函数183.2 支架角度对传递函数的影响193.2.1 上支架角度对传递函数的影响193.2.2 下支架角度对传递函数的影响243.3 本章小结274 几种基于单层支架柔性机构的变体机构振动特性分析284.1 含双层支架的柔性机构284.1.1 变角度双层支架柔性机构294.1.2 变间距双层支架柔性机构334.1.3 双层支架与单层支架柔性机构振动特性比较分析374.2 圆柱形单层支架柔性机构
5、384.3 穿孔板单层支架柔性机构404.4 蜂窝形支架柔性机构424.5 本章小结44结 论46参 考 文 献47致 谢50- III -1 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着近代工业和科学技术的飞速发展，工业产品越来越精密化和高速化，由此带来的工程振动问题也越来越突显出来。作为基础学科的一个重要分支，工程振动问题在机械、建筑、水利、航空航天、船舶和车辆等工业技术学科中成为越来越重要的课题研究方向。在工程领域和日常生活中，到处都有振动产生。当我们乘坐汽车、火车、轮船和飞机等运载工具时，都会感受到不同程度的振动，这种振动会影响我们的乘坐舒适性，同时也对这些运载工具自身造成很多危害；当桥梁的振
6、动达到固有频率发生共振会引发桥梁的垮塌；机床加工时的振动会影响加工精度。伴随着振动而来的还有噪声污染，无规则振动引发的噪声危害人们的生理和心理健康。对于这些有害的振动，大量的科学研究已经提出许多抑制和消除的方法，但这一问题依然需要我们不断的探索和更加深入的研究下去。与此同时，人们也合理地利用振动来造福人类，例如，在医学领域利用超声波和核磁共振等诊断和治疗疾病；在建筑领域，采用了振动沉桩和拔桩以及振动捣固混凝土等。为了抑制有害的振动并合理利用振动，因此对振动理论的研究和减振降噪材料、机构的设计是十分有意义的工作。振源的激励方式、激励位置以及机构本身的动力学特性是是影响机构的振动与噪声的主要因素。
7、因此要达到减小振动、降低噪声的目的，可以从以下两个途径入手，首先是对振动源的控制，在设计阶段合理优化设计结构；提高零部件的加工精度和装配质量，但是受加工和装备精度的限制，部件间不可能完美的契合，不可避免地在工作中产生振动。第二，控制振动和噪声传递的途径，吸声材料、阻尼材料及各种减振降噪结构等的研究正是基于此。相对于传统刚性结构而言，柔性机构有两方面优点：一是提高性能（提高精度、提高可靠性、减少摩擦磨损、减轻重量等），二是降低成本（减少零件数目、简化制造过程、减少装配时间、减少维护等）1，因此，现代柔性机构自1987年由Midha 2开创系统研究以来，得到了越来越多学者的关注，并在航空航天、微电
8、子机械系统、光学工程、生物工程和机器人等多领域获得广泛应用。柔性机构相对于刚性机构可以降低振动和噪声，这是由于柔性机构的运动不是靠相邻部件间的摩擦而是靠自身的变形产生的1。依据此原理已有研究人员设计出一些应用于减振降噪的周期阵列柔性机构，这类柔性机构有很好的前景，但是因其研究还处在初期没有得到广泛应用，所以本文选取几种这类柔性机构进行比较分析研究，期望得出有意义的比较结果，为这类减振降噪柔性机构的设计提供一定有意义的参考。1.2 柔性机构研究现状柔性机构是依靠柔性单元的变形来实现运动、力和能量的传递和转换的机构。柔性机构分为全柔性机构和部分柔性机构，全柔性机构没有传统意义上的运动副，运动全来自
9、于柔性构件的变形；含有一个以上传统运动副和柔性构件的柔性机构称为部分柔性机构1。全柔性机构又分为两种，如图1.1所示：一种具有集中柔度的柔性机构，用柔性运动副代替传统运动副；另一种具有分布柔度的柔性机构，机构的柔性相对均衡地分布在整个机构之中，无任何铰链存在3。（a） （b）图1.1 全柔性机构（a.集中式 b.分布式）Fig1.1 Compliant mechanisms(a.Centralized model b.Distributed model) 柔性机构把不同功能集中到少数几个零件上，导致其必须对运动和力学特性进行同步设计，而且其变形通常是非线性的，不能用简化的线性方程进行分析，更增
10、加了设计难度，所以由于铰链连接的刚性构件装置分析和设计更加简单，获得了广泛的研究和应用4。但是近30年来柔性机构得到了快速发展，可以归根于以下几点原因：计算机软硬件的飞速发展使柔性机构的运动和应力分析成为可能；研究人员发展了系统的简化柔性机构设计方法；MEMS技术和柔性机构相相互促进的对方的发展；一些柔性机构应用的成功案例加深了人们对柔性机构优点的认识4。在自然界中，生物柔性是一种普遍存在的力学现象，大部分动物都可以利用自身的柔性进行复杂精妙或者极具爆发力的运动。例如蚯蚓在行进中整个身体产生柔性变形，使其可以在土壤中波浪式前进；青蛙通过控制舌头的肌肉柔性收缩与舒张快速吐出舌头来捕食。植物的茎叶
11、也都具有一定的柔性，这种柔性可以保护植物在风雨中不易折断。在8000年前，人类从大自然的生物柔性中获得灵感，发明了弹弓和弓之类的工具用以捕猎。中国古代木质结构建筑通过木材本身的柔性以及榫卯结构使得建筑有很好的抗震性能。虽然人类在悠久的历史中已经认识到并很好的利用了柔性原理，但对于柔性原理的系统科学研究却起步很晚。1678年，胡克在弹簧论文中提出了胡克定律，为弹性力学的发展奠定了基础，这也是柔性机构的力学理论基础。直到20世纪60年代，学者们才真正对柔性机构进行专门的研究。1965年，Paros等5提出一种圆弧缺口型柔性铰链，并推导了其弹性变形表达式。1968年，Buens和Crossley6首
12、先提出了柔性杆的概念，利用柔性杆自身的柔性变形代替传统刚性机构的传动副来传递力和能量。80年代末，Midha等2,7开创了柔性机构的系统研究并定义了专业术语柔性机构（compliant mechanisms）。1994年Howell7提出应用于具有短长度柔性铰链的柔性机构设计分析的伪刚体模型法，即将柔性铰链等效简化成刚性模型，再用刚体结构学理论进行分析，该方法促进了柔性机构的快速发展。但伪刚体模型法提供的简单参数化模型不能用于空间结构，所以随后Ananthasuresh等8,9又将拓扑优化中的均匀化方法引入到柔性机构设计中来，为柔性机构的设计开辟了新道路。Sigmund10通过约束输入点的位移
13、，构造了更加简单的柔性机构拓扑优化模型。2004年Bernardoni11介绍了一种基于给定设计域柔性模块分布的优化方法的柔性机构合成的设计方法，此方法被称为模块法，同样弥补了伪刚体模型法的不足。近年来，胞元式柔性机构作为一种颇具前景的柔性机构得到更多的研究，胞元式柔性机构指通过微观柔性胞元的周期阵列形成的在宏观上具有特殊性能的柔性机构12。Secord和Asada13设计了一个胞元式柔性机构的PTZ驱动器实现高精度的大行程驱动。Olympio等14设计了一维零泊松比的蜂窝形柔性结构应用于变体航空器。随后Lesieutre等15又设计一种二维柔性蜂窝桁架结构机翼取代内部结构固定的机翼，可以通过
14、改变自身结构以适应不同飞行阶段，同时减轻机翼重量。国内对柔性机构的研究起步稍晚，1999年，王晓明16等提出了基于均匀化理论、伴随变量法和有限元方法计算微小型柔性结构拓扑优化敏度响应的方法。于靖军17,18等针对伪刚体模型法的不足，在此方法的基础上，通过建立柔性铰链刚度矩阵，提出一种扩展伪刚体模型法，适用于空间全柔性结构的分析。闵健19等同样基于伪刚体模型法，运用AutoCAD命令，将柔性机构离散成有限元单元生成刚度矩阵进行力学和运动学分析，提高了计算速度且精度较高。王煜20提出了设计多材料组成的单片柔性机构的水平集方法，此方法可作为连续异质结构的优化方法。罗阳军21等针对柔性机构制造的运行中的不确定因素，提出了一种拓扑优化数学模型，并验证此优化方法比确定性设计结果更优。路小波22等针对柔性智能结构主动振动控制，介绍了一种实验建模方法。陈建军23等提出了一种针对柔性智能结构振动控制的模糊神经网络控制算法。夏尊凤和许焰24分析了五种典型的柔性机构，并给出了柔性机构自由度计算公式。辛礼兵25等基于伪刚体模型，给出了柔性机构的两种自由度定义和推论，分析了柔性机构自由度计算方法。国内学者同样对胞元式柔性机构进行了研究，何燕飞38等推导出蜂窝柔性结构吸波材料的等效磁导率和介电常数公式，分
