畢業(yè)論文：基于ANSYS多物理場(chǎng)的URPM3R3T-4系統(tǒng)索流固耦合分析

畢 業(yè) 論 文
（科 學(xué) 研 究 報(bào) 告）
題 目 基于ANSYS多物理場(chǎng)的URPM3R3T-4系統(tǒng)索流固耦合分析

院(系)別 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化
級(jí) 別 2008級(jí)

摘 要
URPM3R3T-4機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是屬于欠約束的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。它是四繩索牽引，六_度的并聯(lián)機(jī)器人。繩牽引并聯(lián)機(jī)器人。
本文的研究:
首先，通過(guò)查閱有關(guān)資料以及實(shí)驗(yàn)分析的要求，明白了解了URPM3R3T機(jī)構(gòu)系統(tǒng)索流耦合分析的基本原理、基本理論依據(jù)、基本分析方法、基本分析數(shù)據(jù)以及運(yùn)用數(shù)值模擬的方法確定了建模屬性以及材料的物理屬性。
然后，運(yùn)用機(jī)器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)考慮到懸鏈線的情況采用贗曲線模型的情況下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求得所需繩索變化情況公式。用PROE軟件仿真建立URPM3R3T-4機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的索運(yùn)動(dòng)學(xué)初始模型，為利用ANSYS進(jìn)行流固耦合分析做準(zhǔn)備。
再后，進(jìn)行MATLAB運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行編程，自主編寫(xiě)符合URPM3R3T機(jī)構(gòu)系統(tǒng)索運(yùn)動(dòng)軌跡及各位姿變化源程序，生成滿足Davenport風(fēng)速譜的風(fēng)速隨機(jī)樣本并根據(jù)分析要求轉(zhuǎn)化成位移譜，這為利用PSD譜分析的方法提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。
最后，由前面做好的理論準(zhǔn)備工作，進(jìn)行利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元建模，模態(tài)分析，PSD頻譜分析，以得到位移功率譜密度曲線，反映了在外部風(fēng)激振動(dòng)下的繩索位移變化規(guī)律以及繩索長(zhǎng)度變化范圍，實(shí)現(xiàn)URPM3R3T-4系統(tǒng)的索單向流固耦合分析。這為設(shè)計(jì)URPM3R3T-4 穩(wěn)定平臺(tái)的控制范圍提供重要的參考價(jià)值，并為繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：URPM3R3T-4機(jī)構(gòu)，Matlab仿真，風(fēng)譜，psd譜分析，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
……（新文秘網(wǎng)http://www.jey722.cn省略1510字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
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 錄
第一章 緒論 5
1.1 課題背景 5
1.2 國(guó)內(nèi)外繩牽引并聯(lián)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析 5
1.2.1 繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的典型工程應(yīng)用實(shí)例 6
1.2.2 考慮繩索質(zhì)量的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 8
1.3 論文研究?jī)?nèi)容 9
第二章 機(jī)器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題 10
2.1坐標(biāo)系的建立 10
2.2 懸鏈線簡(jiǎn)化問(wèn)題 11
2.3逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 13
2.3.1逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 13
2.3.2矢量封閉原理 14
2.4靜力學(xué)平衡方程 14
2.3本章小結(jié) 15
第三章 MATLAB運(yùn)動(dòng)仿真 16
3.1工作平臺(tái)在垂直Z軸的*-Y平面_運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)仿真
參數(shù)的建立 16
3.1.1工作平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)的類型和_度數(shù) 16
3.1.2工作平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)的仿真參數(shù) 16
3.1.3工作平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 17
3.2 本章小結(jié) 18
第四章 風(fēng)荷載基本理論 19
4.1風(fēng)荷分析基本理論 19
4.1.1脈動(dòng)風(fēng)基本理論 19
4.1.2脈動(dòng)風(fēng)特性 19
4.1.3隨機(jī)過(guò)程的基本理論 19
4.2脈動(dòng)風(fēng)的模擬 20
4.2.1脈動(dòng)風(fēng)的基本知識(shí) 20
4.2.2脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線的模擬 21
4.3 隨機(jī)風(fēng)速譜樣本轉(zhuǎn)化成位移譜 21
4.4 本章小結(jié) 22
第五章 URPM3R3T-4系統(tǒng)繩索的流固耦合分析 23
5.1 URPM3R3T-4系統(tǒng)建模 23
5.2基于ANSYS多物理場(chǎng)的單向耦合分析 24
5.2.1劃分網(wǎng)格及添加約束 24
5.2.2進(jìn)行模態(tài)分析并擴(kuò)展模態(tài) 24
5.2.3進(jìn)行譜分析及觀察結(jié)果 26
5.3本章小結(jié) 35
第六章 前文總結(jié)及研究展望 36
6.1 前文總結(jié) 36
6.2 研究展望 36
致謝 37
參考文獻(xiàn) 38
附錄 41














第1章 緒論
1.1 課題背景
隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展 ，機(jī)器人技術(shù)也隨著人們的生活而發(fā)展，使得人們的生活也變得更加方便快鍵、健康舒適。
從最早可追溯到20世紀(jì)60年代，1965年英國(guó)高級(jí)工程師stewart發(fā)表了名為“A Platfrom with Si* Degrees of Freedom"的論文[1]，引起了廣泛的注意，奠定了他在空間并聯(lián)機(jī)器人中的鼻祖地位到20世紀(jì)90年代以來(lái)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于轉(zhuǎn)位裝置，并開(kāi)始用于數(shù)控機(jī)床，被認(rèn)為是“徹底改變了100多年來(lái)機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，并將成為2l世紀(jì)新一代機(jī)床的范例 [2] 。隨著研究的深入一些非常具有使用價(jià)值的并聯(lián)機(jī)器人也不斷被設(shè)計(jì)出來(lái)。
繩牽引并聯(lián)機(jī)器人是有比傳統(tǒng)機(jī)器人所不同的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)出來(lái)的，它具有精度高、響應(yīng)快、速度快、運(yùn)動(dòng)連續(xù)性好、負(fù)載能力高、易拆裝、模塊化程度高、價(jià)格低廉和占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用。
將繩牽引并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到外墻清洗工作平臺(tái)上，避免了當(dāng)前幾種外墻清洗方式如“蜘蛛人” 、軌道擦窗機(jī)、爬壁擦洗機(jī)器人等安全系數(shù)低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高的缺點(diǎn)。由于外墻清洗工作平臺(tái)進(jìn)行的是高空室外工作，自然風(fēng)的風(fēng)振擾動(dòng)情況不可避免的。
根據(jù)繩索牽引并聯(lián)機(jī)器人工作環(huán)境要求，本文著重研究機(jī)構(gòu)在隨機(jī)風(fēng)荷振動(dòng)情況下URPM3R3T-4繩牽引并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的非線性響應(yīng)，為后期研究在隨機(jī)風(fēng)荷振動(dòng)下繩長(zhǎng)長(zhǎng)度的變化以及機(jī)構(gòu)避免風(fēng)振影響的主動(dòng)控制等難點(diǎn)奠定研究基礎(chǔ)。
1.2 國(guó)內(nèi)外繩牽引并聯(lián)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析
根據(jù)矢量封閉原理，繩牽引并聯(lián)機(jī)器人一般分為四類[3]：
① 當(dāng)m（繩索的數(shù)目）>1+n（末端執(zhí)行器的_度），過(guò)約束定位機(jī)構(gòu)RRPM (Redundantly Restrained Positioning Mechanism)；
② 當(dāng)m =1+n時(shí)，完全約束定位機(jī)構(gòu)CRPM (Completely Restrained Positioning Mechanism)；
③ 當(dāng)m=n時(shí)， 不完全約束定位機(jī)構(gòu)IRPM (Incompletely Restrained Positioning Mechanism)；
④ 當(dāng)m其中欠約束定位機(jī)構(gòu)URPM屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，只能穩(wěn)定控制平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用于只要求平動(dòng)的工作領(lǐng)域。

(a) 過(guò)約束定位機(jī)構(gòu)RRPMs (b) 完全約束定位機(jī)構(gòu)CRPMs

(c) 不完全約束定位機(jī)構(gòu)IRPMs (d) 欠約束定位機(jī)構(gòu)URPMs
圖1. 1繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的分類
下面將在概述幾項(xiàng)繩牽引并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的典型工程應(yīng)用實(shí)例的基礎(chǔ)上，分析各類繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)。
1.2.1 繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的典型工程應(yīng)用實(shí)例
（1）1984年，繩索并聯(lián)牽引攝像系統(tǒng)Skycam由Steadicam（國(guó)內(nèi)叫“貓眼”）的發(fā)明者GarrettBrown成功研制并首先申請(qǐng)專利，是世界上唯一的能夠在定義好的三維空間中穩(wěn)定運(yùn)行而不易被發(fā)現(xiàn)的攝像機(jī)系統(tǒng)。該機(jī)構(gòu)通過(guò)4根繩索牽引實(shí)現(xiàn)照相系統(tǒng)三個(gè)_度的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可以達(dá)到44.8km/h的速度，且有較高的加速度�，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于體育賽事的轉(zhuǎn)播，如圖1.5為Skycam在體育場(chǎng)上的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)仇原鷹教授自2012年起就NSFC項(xiàng)目“高速柔索牽引攝像機(jī)器人機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性研究”開(kāi)始此項(xiàng)技術(shù)的研究[４]。這些研究中均不考慮繩索的分布質(zhì)量。

圖1.2 Skycam
（2）在1993年日本京都國(guó)際無(wú)線電科聯(lián)大會(huì)上，中、澳、法、美等10余個(gè)國(guó)家的射電天文學(xué)家聯(lián)合倡議，籌建新一代大射電望遠(yuǎn)鏡，其接收面積將達(dá)到1km2。1994年，中國(guó)天文學(xué)家提出了建造500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)和工程方案，并提出采用光機(jī)電一體化的索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)支撐輕型饋源平臺(tái)，通過(guò)控制在觀測(cè)方向形成300m的口徑瞬時(shí)拋物面。

圖1.3 500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡
（3）20世紀(jì)90年代末，隨著并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)與力控制技術(shù)的發(fā)展，研究人員將繩牽引并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量飛行器模型的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的支撐機(jī)構(gòu)。目前已知的相關(guān)應(yīng)用研究并取得一定科研成果的為法國(guó)航空研究局（ONERA）支持的預(yù)科研項(xiàng)目SACSO。SACSO項(xiàng)目成功設(shè)計(jì)了用于飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)的7根繩牽引六_度并聯(lián)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)，并取得了很好的理論研究成果[５-６]。2003年底，該項(xiàng)目制造了9根繩牽引的六_度并聯(lián)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)力位混合運(yùn)動(dòng)控制方式進(jìn)行模型風(fēng)洞_飛實(shí)驗(yàn)，獲得氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。該系統(tǒng)已于2005年應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中。在2004年NSFC項(xiàng)目“用于飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)的六_度繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)控制研究”等的資助下，華僑大學(xué)副教授鄭亞青及其合作者對(duì)飛行器模型靜態(tài)測(cè)力低速風(fēng)洞試驗(yàn)的支撐系統(tǒng)WDPSS-8機(jī)構(gòu)（屬于8根繩牽引的過(guò)約束并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)）開(kāi)展了一系列的工作，并取得了一系列的研究成果[7-9]。研究成果顯示該系統(tǒng)可通過(guò)強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)提取模型動(dòng)導(dǎo)數(shù)，在此基礎(chǔ)上，剖析相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)并提 ……（未完，全文共23577字，當(dāng)前僅顯示4240字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于ANSYS多物理場(chǎng)的URPM3R3T-4系統(tǒng)索流固耦合分析》）