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毕业论文:基于ANSYS多物理场的URPM3R3T-4系统索流固耦合分析

本文4积分 word文档下载 发表时间:2013/8/4 20:54:08 收藏此页 换稿提现 


毕 业 论 文
(科 学 研 究 报 告)
题 目 基于ANSYS多物理场的URPM3R3T-4系统索流固耦合分析

院(系)别 机电及自动化学院
专 业 机械工程及自动化
级 别 2008级

摘 要
URPM3R3T-4机构系统是属于欠约束的并联机构。它是四绳索牵引,六_度的并联机器人。绳牵引并联机器人。
本文的研究:
首先,通过查阅有关资料以及实验分析的要求,明白了解了URPM3R3T机构系统索流耦合分析的基本原理、基本理论依据、基本分析方法、基本分析数据以及运用数值模拟的方法确定了建模属性以及材料的物理属性。
然后,运用机器机构运动学分析,通过考虑到悬链线的情况采用赝曲线模型的情况下进行运动学逆解求得所需绳索变化情况公式。用PROE软件仿真建立URPM3R3T-4机构系统的索运动学初始模型,为利用ANSYS进行流固耦合分析做准备。
再后,进行MATLAB运动仿真进行编程,自主编写符合URPM3R3T机构系统索运动轨迹及各位姿变化源程序,生成满足Davenport风速谱的风速随机样本并根据分析要求转化成位移谱,这为利用PSD谱分析的方法提供了数据依据。
最后,由前面做好的理论准备工作,进行利用ANSYS软件进行有限元建模,模态分析,PSD频谱分析,以得到位移功率谱密度曲线,反映了在外部风激振动下的绳索位移变化规律以及绳索长度变化范围,实现URPM3R3T-4系统的索单向流固耦合分析。这为设计URPM3R3T-4 稳定平台的控制范围提供重要的参考价值,并为绳牵引并联机构在其它领域的应用提供了参考。

关键词:URPM3R3T-4机构,Matlab仿真,风谱,psd谱分析,ansys, 流固耦合















ABSTRACT
URPM3R3T-4 system is Under Restrained Positioning Mechanism. It is si* DOFs and four CABLE-DIRECT-DRIVEN ROBOTS. CABLE-DIRECT-DRIVEN ROBOTS.
This thesis discusses the follo
……(新文秘网https://www.wm114.cn省略1510字,正式会员可完整阅读)……
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able platform control provided important reference value, and for rope-pulling parallel mechanism in other areas of the application

Keywords: URPM3R3T-4 Matlab simulation wind spectrum Ansys fluid-solid interaction








目 录
第一章 绪论 5
1.1 课题背景 5
1.2 国内外绳牵引并联机器人研究现状及发展动态分析 5
1.2.1 绳牵引并联机器人的典型工程应用实例 6
1.2.2 考虑绳索质量的绳牵引并联机器人研究现状 8
1.3 论文研究内容 9
第二章 机器机构运动学问题 10
2.1坐标系的建立 10
2.2 悬链线简化问题 11
2.3逆运动学方程 13
2.3.1逆运动学方程 13
2.3.2矢量封闭原理 14
2.4静力学平衡方程 14
2.3本章小结 15
第三章 MATLAB运动仿真 16
3.1工作平台在垂直Z轴的*-Y平面_运动的运动仿真
参数的建立 16
3.1.1工作平台水平运动的类型和_度数 16
3.1.2工作平台水平运动的仿真参数 16
3.1.3工作平台水平运动的逆运动学仿真 17
3.2 本章小结 18
第四章 风荷载基本理论 19
4.1风荷分析基本理论 19
4.1.1脉动风基本理论 19
4.1.2脉动风特性 19
4.1.3随机过程的基本理论 19
4.2脉动风的模拟 20
4.2.1脉动风的基本知识 20
4.2.2脉动风速时程曲线的模拟 21
4.3 随机风速谱样本转化成位移谱 21
4.4 本章小结 22
第五章 URPM3R3T-4系统绳索的流固耦合分析 23
5.1 URPM3R3T-4系统建模 23
5.2基于ANSYS多物理场的单向耦合分析 24
5.2.1划分网格及添加约束 24
5.2.2进行模态分析并扩展模态 24
5.2.3进行谱分析及观察结果 26
5.3本章小结 35
第六章 前文总结及研究展望 36
6.1 前文总结 36
6.2 研究展望 36
致谢 37
参考文献 38
附录 41














第1章 绪论
1.1 课题背景
随着时代的不断进步,科技的不断创新发展 ,机器人技术也随着人们的生活而发展,使得人们的生活也变得更加方便快键、健康舒适。
从最早可追溯到20世纪60年代,1965年英国高级工程师stewart发表了名为“A Platfrom with Si* Degrees of Freedom"的论文[1],引起了广泛的注意,奠定了他在空间并联机器人中的鼻祖地位到20世纪90年代以来,并联机构用于转位装置,并开始用于数控机床,被认为是“彻底改变了100多年来机床的结构配置和运动学原理,并将成为2l世纪新一代机床的范例 [2] 。随着研究的深入一些非常具有使用价值的并联机器人也不断被设计出来。
绳牵引并联机器人是有比传统机器人所不同的优点而设计出来的,它具有精度高、响应快、速度快、运动连续性好、负载能力高、易拆装、模块化程度高、价格低廉和占用空间小等优点,进而被广泛应用。
将绳牵引并联机器人技术应用到外墙清洗工作平台上,避免了当前几种外墙清洗方式如“蜘蛛人” 、轨道擦窗机、爬壁擦洗机器人等安全系数低、劳动强度大、成本高的缺点。由于外墙清洗工作平台进行的是高空室外工作,自然风的风振扰动情况不可避免的。
根据绳索牵引并联机器人工作环境要求,本文着重研究机构在随机风荷振动情况下URPM3R3T-4绳牵引并联机器人系统的非线性响应,为后期研究在随机风荷振动下绳长长度的变化以及机构避免风振影响的主动控制等难点奠定研究基础。
1.2 国内外绳牵引并联机器人研究现状及发展动态分析
根据矢量封闭原理,绳牵引并联机器人一般分为四类[3]:
① 当m(绳索的数目)>1+n(末端执行器的_度),过约束定位机构RRPM (Redundantly Restrained Positioning Mechanism);
② 当m =1+n时,完全约束定位机构CRPM (Completely Restrained Positioning Mechanism);
③ 当m=n时, 不完全约束定位机构IRPM (Incompletely Restrained Positioning Mechanism);
④ 当m其中欠约束定位机构URPM属于欠驱动系统,只能稳定控制平动运动,应用于只要求平动的工作领域。

(a) 过约束定位机构RRPMs (b) 完全约束定位机构CRPMs

(c) 不完全约束定位机构IRPMs (d) 欠约束定位机构URPMs
图1. 1绳牵引并联机器人的分类
下面将在概述几项绳牵引并联机器人技术的典型工程应用实例的基础上,分析各类绳牵引并联机器人的研究现状及发展动态。
1.2.1 绳牵引并联机器人的典型工程应用实例
(1)1984年,绳索并联牵引摄像系统Skycam由Steadicam(国内叫“猫眼”)的发明者GarrettBrown成功研制并首先申请专利,是世界上唯一的能够在定义好的三维空间中稳定运行而不易被发现的摄像机系统。该机构通过4根绳索牵引实现照相系统三个_度的平动运动,可以达到44.8km/h的速度,且有较高的加速度。现在这项技术广泛应用于体育赛事的转播,如图1.5为Skycam在体育场上的应用。国内仇原鹰教授自2012年起就NSFC项目“高速柔索牵引摄像机器人机动性与稳定性研究”开始此项技术的研究[4]。这些研究中均不考虑绳索的分布质量。

图1.2 Skycam
(2)在1993年日本京都国际无线电科联大会上,中、澳、法、美等10余个国家的射电天文学家联合倡议,筹建新一代大射电望远镜,其接收面积将达到1km2。1994年,中国天文学家提出了建造500m口径球面射电望远镜的建设和工程方案,并提出采用光机电一体化的索牵引并联机构来支撑轻型馈源平台,通过控制在观测方向形成300m的口径瞬时抛物面。

图1.3 500m口径球面射电望远镜
(3)20世纪90年代末,随着并联机器人机构学与力控制技术的发展,研究人员将绳牵引并联技术应用于测量飞行器模型的气动导数的支撑机构。目前已知的相关应用研究并取得一定科研成果的为法国航空研究局(ONERA)支持的预科研项目SACSO。SACSO项目成功设计了用于飞行器风洞试验的7根绳牵引六_度并联机构试验样机,并取得了很好的理论研究成果[5-6]。2003年底,该项目制造了9根绳牵引的六_度并联机构试验样机,通过力位混合运动控制方式进行模型风洞_飞实验,获得气动导数。该系统已于2005年应用于战斗机的风洞实验中。在2004年NSFC项目“用于飞行器风洞试验的六_度绳牵引并联机构及其运动控制研究”等的资助下,华侨大学副教授郑亚青及其合作者对飞行器模型静态测力低速风洞试验的支撑系统WDPSS-8机构(属于8根绳牵引的过约束并联机器人机构)开展了一系列的工作,并取得了一系列的研究成果[7-9]。研究成果显示该系统可通过强迫振荡试验提取模型动导数,在此基础上,剖析相关关键技术并提 ……(未完,全文共23577字,当前仅显示4240字,请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文:基于ANSYS多物理场的URPM3R3T-4系统索流固耦合分析》
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