多穩(wěn)態(tài)結構的形態(tài)分析和實驗研究.pdf

1、隨著建筑、航天等領域對結構美觀、靈活的需求的增長，多穩(wěn)態(tài)結構越來越受到國內(nèi)外學者的關注，對其構造形式、設計方法以及力學分析方面均展開了廣泛研究;本文在總結國內(nèi)外研究成果的基礎上，給出了一種多穩(wěn)態(tài)結構設計框架。結合多算例介紹平面和空間多穩(wěn)態(tài)結構設計方法及形態(tài)分析過程，引入新型伸縮桿結構到多穩(wěn)態(tài)結構，并對此伸縮桿結構進行設計、實驗及有限元對比分析。
　　從機構分析理論出發(fā)，在傳統(tǒng)剪式機構中引入鉸接節(jié)點或可伸縮桿件，形成具有多自由度的多

2、鉸剪式機構和可伸縮剪式機構。對多個典型平面可伸縮剪式機構進行運動分析及位置求解，結合其位置解求解結果，采用基于約束Jacobian矩陣方法計算機構自由度數(shù)目。對簡單機構形式，通過MAPLE求得其位置解析解;對復雜機構形式，通過MATLAB求得其位置數(shù)值解。考慮到采用數(shù)值Jacobian矩陣僅反映當前坐標值下機構自由度情況，選取機構運動過程多個位置坐標解，以驗證機構自由度計算的正確性。對一基本可伸縮剪式機構進行了不同支座約束情況下的機構分

3、析，通過位置解析解找到了機構運動過程中的奇異值點，并通過約束Jacobian矩陣方法計算機構運動全過程自由度，驗證理論推導正確性。對于復雜平面可伸縮剪式機構，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，在機構構造允許范圍內(nèi)對可伸縮桿件伸縮量進行隨機抽樣，得到在不同伸縮量下機構的位置解，并采用約束Jacobian矩陣方法計算各位置自由度。結合平面剪式機構約束方程，給出了空間剪式機構約束方程和空間可伸縮桿件約束方程，并

4、結合一空間可伸縮剪式機構算例，采用約束Jacobian矩陣計算其不同伸縮桿數(shù)量下的自由度數(shù)目，驗證了約束方程的正確性。
　　基于剪式機構的機構分析結果，結合多算例對平面和空間剪式機構進行拓撲構造和幾何優(yōu)化，給出了一種新型的多穩(wěn)態(tài)結構設計框架，便于結構設計有效趨近多目標形態(tài)，并實現(xiàn)多目標形態(tài)間變換。以平面剪式機構為例，給定初始和目標曲線P0和P1，采用此形態(tài)設計方法，以機構形態(tài)最趨近給定曲線為優(yōu)化目標，以機構幾何參數(shù)和自由度相關變量

5、為優(yōu)化變量，建立機構約束條件，通過fmincon函數(shù)進行有約束條件的最小值優(yōu)化求解，確定機構始末形態(tài)。選取機構變換路徑中有限個中間時刻，驗證優(yōu)化機構的過程可動性。根據(jù)已有平面剪式機構優(yōu)化結果，進一步進行柱面和回轉面空間剪式機構形態(tài)設計;提出柱面空間剪式機構設計思路，對多種回轉面空間剪式機構基本單元進行幾何和運動分析，提出一種新型空間基本剪式單元，并將其引入空間剪式機構形態(tài)設計。對上述優(yōu)化后平面和空間剪式機構進行驅動-制動方式討論，完成機

6、構到多穩(wěn)態(tài)結構的轉變，并對此多穩(wěn)態(tài)結構進行ABAQUS靜力分析，驗證了驅動方案的可行性，以及此多穩(wěn)態(tài)結構設計的合理性。
　　論文的最后提出了一種新型伸縮桿結構，其主要由外側方鋼殼、可伸縮短管、連接彈簧、加勁板及端部連接板等組成，對其進行了力學分析，及細部構造有限元模擬，得到了受力合理的伸縮桿構造;結合多穩(wěn)態(tài)結構中桿件尺寸，提出完全對稱伸縮桿結構、彈簧不對稱伸縮桿結構和方鋼不對稱伸縮桿結構三種構型，對三結構分別進行了正常使用和承載能