基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的雙桿柔性機(jī)械臂建模與分析.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，柔性長(zhǎng)臂機(jī)械臂、柔性航天器等柔性多體系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到航空航天、工業(yè)制造等多個(gè)領(lǐng)域。在工作過(guò)程中，這類系統(tǒng)往往需要做大范圍空間運(yùn)動(dòng)。研究表明，傳統(tǒng)梁理論基于小位移小變形假設(shè)，其建模方法對(duì)于這些柔性多體系統(tǒng)不能得到動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的準(zhǔn)確結(jié)果。絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法（Absolute Nodal Coordinate Formulation，即ANCF)的誕生為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究提供了新思路、新方法，開(kāi)創(chuàng)了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的新局面。

2、
　　絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的優(yōu)勢(shì)在于：其研究對(duì)象均視作等參單元，推導(dǎo)建立的動(dòng)力學(xué)方程組的系統(tǒng)質(zhì)量矩陣是常數(shù)矩陣，并且沒(méi)有科氏力項(xiàng)和離心力項(xiàng)。ANCF相比于傳統(tǒng)方法，能更精確的描述多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，尤其適用于大變形大位移的柔性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的求解。本文采用ANCF研究雙桿柔性機(jī)械臂變形和截面剪切翹曲變形的規(guī)律，主要工作內(nèi)容如下：
　　(1)介紹了絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法現(xiàn)有的多種梁?jiǎn)卧Ｐ?，?duì)基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的動(dòng)力學(xué)模型的建立進(jìn)行了系統(tǒng)的

3、概述。
　　(2)提出了一種新的絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法模型。根據(jù)提出的梁?jiǎn)卧先我恻c(diǎn)的位移場(chǎng)，推導(dǎo)出了新的形函數(shù)表達(dá)式，可以捕獲梁?jiǎn)卧獧M截面的剪切翹曲變形。以柔性單擺和懸臂梁為例，仿真得到梁?jiǎn)卧行暂S各參數(shù)、端點(diǎn)位移以及橫截面剪切翹曲變形的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)、-、有限元軟件Abaqus分析結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明：新模型不僅能獲得梁?jiǎn)卧獪?zhǔn)確的剪切變形，還可以獲得梁?jiǎn)卧獧M截面的剪切翹曲變形。
　　(3)建立了雙桿柔性機(jī)械臂的多體系

4、統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。介紹了基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的多體系統(tǒng)典型約束表達(dá)方式和動(dòng)力學(xué)方程求解算法，仿真計(jì)算了柔性雙擺和旋轉(zhuǎn)梁的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了建立的動(dòng)力學(xué)方程的正確性。利用新模型，以雙桿機(jī)械臂為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)械臂舉起重物的工作過(guò)程進(jìn)行仿真；計(jì)算了三種橫截面形狀的變形，并與Abaqus得到的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；進(jìn)一步對(duì)機(jī)械臂抓舉重物失敗后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，并與正常抓舉過(guò)程對(duì)比，結(jié)論認(rèn)為：T型截面變形最小，適用于構(gòu)建長(zhǎng)臂機(jī)械臂。