基于有限元的平面变胞机构运动学研究

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1、第31卷2010年第12期12月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTR()NAUTICASINICAV01．3lNO．12Dec．2010文章编号：1000—6893(2010)12—2425—10基于有限元的平面变胞机构运动学研究杨毅，丁希仑，吕胜男，张武翔(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)KinematicStudyofPlanarMetamorphicMechanismBasedonFiniteElementsYangYi，DingXilun，LuShengnan，ZhangWuxiang(SchoolofMechanicalEngineeri

2、ngandAutomation，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics．Beijing100191，China)摘要：变胞机构具有在工作阶段切换时，杆件数目或运动数目及连接方式可变的特点，因此现有的基于有限元的机构运动学方法和分析软件无法直接用于变胞机构的分析。基于最小势能原理，推导出了任意曲线的滑动副单元和三节点焊接单元两种有限元模型。根据变胞机构的变胞特征，研究了基于有限元的运动学方法在变胞机构中的应用，给出了其计算步骤和流程。最后利用该方法对3种典型的平面变胞机构进行了分析，其结果表明该方法适合计算机的模块化编程和计算，对变胞机

3、构的运动学研究有重要帮助。关键词：变胞机构；有限元；运动学；构态；模块化中图分类号：THll2．1文献标识码：AAbstract：Themetamorphicmechanismscanchangetheirlinkages，mobilityorconnectivityduringtheswitchofwork—stages．Thus，theexistingmethodologybasedonfiniteelementsandsoftwarecannotbedirectlyusedtoanalyzethekinematicsofmetamorphicmechanisms．Twofinit

4、eelements，whichareprismaticelementalonganarbitrarycurveandthreenodesweldingelement，arederivedbasedontheprincipleofminimumpotentialenergy．Accordingtothecharacteristicsofmetamorphicmechanisms，theapplicationofthismethodtothepla—narmetamorphicmechanismsisinvestigated．Thecalculationstepsandprocedureh

5、avealsobeenpresented，Finally，threetypicalplanarmetamorphicmechanismshavebeenanalyzedbasedonthefiniteelementmethod．ThesimulationresultsshowthatthismethodisadaptabletOthemodularprogramandcalculationandisofgreathelptotheanalysisofkinematicsofthemetamorphicmechanisms．Keywords：metamorphicmechanism；fi

6、niteelements；kinematics；configurationmodular变胞机构应用在具有多个不同r丁作阶段的场合，并且由一个工作阶段到另一个工作阶段中，总是以改变机构的拓扑结构(由此改变机构的自由度)呈现出不同机构类型或运动性能来实现功能要求Ll屯]。变胞机构的变胞特性使其能适应不同任务，应用于不同场合，它在国民生产，尤其是可重构机器人和航天领域有着越来越重要的应用Ls-sJ。变胞机构在一个工作阶段中没有构件数目或运动数目及连接方式的变化，只有在切换到下一工作阶段时才能体现变胞机构的特征。由于变胞机构需要在不同工作阶段间进行切换，其运动学方程也要相应发生改变。通常的做

7、法是在运动方程中添加或删除相应的约束条件方程，或是在不同工作阶段各自建立运动学方程然后加入公共边界条件进行求解。这些方法不利于进行统一收稿日期：2010—03—22；修订日期：2010-06—28基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(200800060009)通讯作者：丁希仑E—mail：xlding@buaa．edu．cn的计算机模块化编程和自动化求解。如何根据变胞机构的变胞特征快速高效地建立一个统一的变胞机构运动学模型是变胞机构研究的一