并联髋关节试验机弹性动力学及振动控制分析

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1、硕士学位论文并联髋关节试验机弹性动力学及振动控制分析DynamicsandVibrationControlAnalysisofParallelManipulatorforHipJoint作者：袁欣导师：程刚教授中国矿业大学二○一五年五月中图分类号TH112学校代码10290UDC621.8密级公开中国矿业大学硕士学位论文并联髋关节试验机弹性动力学及振动控制分析DynamicsandVibrationControlAnalysisofParallelManipulatorforHipJoint作者袁欣导师程刚教授申请学位工学硕士培养单位机电工程学院学科

2、专业机械设计及理论研究方向机构学答辩委员会主席评阅人二○一五年五月论文审阅认定书研究生袁欣在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢本论文是在我的导师程刚教授的悉心指导下完成的，倾注了导师大量心血，没有导师的指导、鼓励及资金上的大力支持，以及生活上的关心与帮助，本论文不可能得以顺利完成。在此，谨向我的导师致以最崇高的敬意和最深切的谢意！师从三载，

3、收获颇丰，感触亦深。导师优秀的做人品质，严谨的治学态度，开拓创新的精神，敏捷果断的判断力，高屋建瓴把握全局的能力，忘我的工作精神给学生树立起潜移默化的典范作用，这也是导师传授给学生最宝贵的财富。攻读硕士学位期间，刘后广老师始终给予了热情的支持与指导，在此向刘老师表示衷心感谢。在本论文的完成过程中，还得到了课题组博士研究生王松涛、山显雷、陈曦晖，硕士研究生李阳、宋耀文、张敏、林玉屏、徐丹等同学的热心无私的帮助。课题组在导师的带领下共同营造出温馨、活泼、严谨、进取、创新的学术氛围，使我在研究过程中受益良多。在此向他们表示衷心的感谢和良好的祝愿!特别感谢这

4、些年来在我学习生涯中给予我教导、关心和帮助的老师和同学。值此论文完成之时，对本人学业默默支持的父母、妹妹和弟弟，以及其他所有的亲人和朋友们，表示深深的敬意和最衷心的感谢！最后，感谢各位专家、学者百忙之中对本文的评阅和指正。袁欣二○一五年五月摘要并联机构在大载荷、高速运动的情况下，由于受外载荷及周期性变化的惯性力作用，机构产生的弹性变形会导致动平台的运动误差，且很难通过标定的方法进行补偿。髋关节假体在进行摩擦学实验时，实验装置的运动频率需为1HZ，试验机驱动杆在摩擦力矩作用下产生弹性变形，降低了试验机模拟人体髋关节的实际运动的精度。3SPS+1PS并联

5、机构作为所研制的并联试验平台的核心机构，需对其进行动力学建模分析、动态特性及优化、疲劳可靠性、振动主动控制。主要研究内容可概括如下：1）研究了基于KED方法的3SPS+1PS并联机构弹性动力学建模方法。利用一种空间圆截面弹性梁单元模型，推导了单元的动力学方程和支链的动力学方程；根据机构的位移协调关系和受力协调关系，将各支链弹性动力学方程和刚性动平台联结，得到了整体的弹性动力学模型；利用Newmark算法进行了并联机构动力学响应的数值求解，得到了动平台在运动过程中的弹性变形、驱动支链的驱动力以及动平台的受力情况。2）研究了基于固有频率特性的3SPS+1

6、PS并联机构动态分析及结构优化方法。以动应力和固有频率为动态特性参数，基于弹性动力学方程的求解，得到了机构各支链的最大动应力变化以及机构的前四阶固有频率在工作空间的分布；探讨了前三阶固有频率与支链截面半径、动平台质量和动平台位置高度之间的关系；以第一阶固有频率/质量为优化指标，在主动支链的最大正应力满足约束条件下，优化选择支链合适的半径，减小了支链的最大动应力、提高系统的固有频率，达到改善机构动力学特性的目的。3）研究了根据机构支链最大动应力变化情况，采用雨流计数法对支链最大动应力进行处理分析，统计出最大动应力循环数；建立了基于Corten-Dola

7、n的疲劳累计损伤理论疲劳寿命模型，并计算了机构各支链的疲劳寿命；最后，基于疲劳可靠性分析方法，分析了机构的疲劳可靠性，并探讨了不同结构参数下的疲劳可靠性，验证了优化后的结构参数可以明显地提高机构的疲劳寿命和可靠性。4）研究了基于滑膜变结构控制的3SPS+1PS并联机构振动主动控制。不考虑压电致动器和传感器对动力学模型影响，基于有限元法和模态理论，建立机构的模态动力学模型；以模态位移和模态速度为状态变量，在满足机构性能要求的前提下，采用最优化方法确定滑移面，基于李雅普诺夫第二法设计滑模控制器；通过致动器逆压电效应对机构前四阶模态的控制，实现对机构的振动

8、主动控制。该论文有图34幅，表8个，参考文献111篇。关键词：3SPS+1PS并联机构；动力学；动态特性；疲