柔性機構摩擦動態自鎖及其波動特性的理論與實驗研究

《柔性機構摩擦動態自鎖及其波動特性的理論與實驗研究》是依託南京理工大學，由沈煜年擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：柔性機構摩擦動態自鎖及其波動特性的理論與實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：沈煜年
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

柔性機構滑動運動時常出現與傳統剛體摩擦動力學中著名的Painlevé悖論密切相關的動態自鎖（卡阻）事件。此時機構運動將由滑動轉變為複雜的斜碰撞，機構出現彈跳並激發瞬態波在部件中傳播，易降低運行精度和結構強度。針對上述問題，本項目考慮部件的變形效應和摩擦接觸的非光滑特徵，提出柔性機構動態自鎖動態子結構理論，研究典型機構的動態自鎖瞬態力學行為。重點解決能描述波動效應的“動態子結構模型”的建立、粘滑運動狀態反覆切換算法的編制、動態自鎖區的確定以及接觸力的計算等基礎理論問題。揭示Painlevé悖論與動態自鎖之間的關係，並結合應力波理論分析瞬態波的激發和傳播機理，探索波傳播對結構強度的影響規律，實現對柔性機構摩擦接觸中的動態自鎖、彈跳及其波動特性的理論研究。同時，搭建實驗裝置和測量系統，開展動態自鎖瞬態回響的實驗測試，驗證實驗方法和理論分析結果，為柔性機構的動力學控制及結構最佳化設計提供科學依據。

結題摘要

本項目系統性完成對了柔性機構滑動運動時動態自鎖（卡阻）事件的研究，尤其是對機構運動由滑動轉變為複雜的斜碰撞、機構出現的彈跳以及激發瞬態波在部件中傳播進行了系統研究。在理論研究方法上，本項目考慮了部件的變形效應和摩擦接觸的非光滑特徵，提出了柔性機構摩擦接觸理論，用以研究典型機構的動態自鎖瞬態力學行為。建立了“完全柔性體模型、編制了粘滑運動狀態反覆切換算法、確定了柔性體的摩擦動態自鎖區以及計算了動態卡阻是接觸力的突然躍起等。揭示了Painlevé悖論與動態自鎖之間的關係，並結合應力波理論分析瞬態波的激發和傳播機理，獲得了波傳播對結構強度的影響規律。在實驗研究方面，本項目完成搭建了實驗裝置和測量系統，完成了機械臂和機器人相關的摩擦機構動態自鎖瞬態回響的實驗測試，驗證了實驗方法和理論分析的結果。理論和實驗研究結果均表明，相比大剛度結構，柔性結構大柔度會導致動態卡阻更容易發生，發生參數區會增大，需要柔性機器人在設計時密切注意。本項目的研究成果為柔性機器人的摩擦動力學行為的控制和結構最佳化打下了重要的理論依據。