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        多腔體氣動軟體致動器的建模與仿真

        2020-07-03 05:37:54徐齊平劉錦陽
        上海交通大學(xué)學(xué)報 2020年6期
        關(guān)鍵詞:致動器氣腔軟體

        徐齊平, 劉錦陽

        (上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院, 上海 200240)

        與通常用于特定環(huán)境下重復(fù)作業(yè)的傳統(tǒng)剛性機(jī)器人不同,軟體機(jī)器人因其變形量大、安全性高、柔順性好、自適應(yīng)性強(qiáng)、與環(huán)境相容性好等優(yōu)點(diǎn)而逐漸涌現(xiàn)并受到很高的關(guān)注度.軟體機(jī)器人是一種以自然界的柔軟體生物為原型的新型連續(xù)體仿生機(jī)器人,是機(jī)器人研究領(lǐng)域的拓展,其利用諸如硅膠、水凝膠、橡膠、電活性聚合物等柔軟性材料制成[1-3],可以實現(xiàn)抓取、爬行、游動、彈跳等復(fù)雜運(yùn)動[4-6].軟體致動器可以廣泛用于實現(xiàn)各種復(fù)雜精細(xì)動作,其由氣壓、加壓液體、熱、電場、化學(xué)反應(yīng)等驅(qū)動.其中,氣動軟體致動器因輸入簡單、質(zhì)輕、材料成本低和制造效率高等優(yōu)勢而具有廣闊的應(yīng)用前景[7-8].

        在大量氣動軟體致動器的設(shè)計中,纖維增強(qiáng)型致動器[9]和氣動網(wǎng)絡(luò)型致動器[10]是兩種十分受青睞的類型.纖維增強(qiáng)型致動器主要由具有整體腔室的彈性體、螺旋排列的纖維和不可延伸層構(gòu)成.通過改變纖維角度,可以實現(xiàn)伸縮、擴(kuò)展和彎曲等動作.氣動網(wǎng)絡(luò)型致動器由多個相互連接的、網(wǎng)絡(luò)狀的腔室構(gòu)成[11],通過在腔室內(nèi)部施加氣壓,使致動器充氣膨脹,實現(xiàn)預(yù)定的彎曲變形,執(zhí)行各種基本動作.

        氣動軟體致動器除了能夠完成平面內(nèi)的基本運(yùn)動形式之外,還可以實現(xiàn)空間內(nèi)的彎曲、扭轉(zhuǎn)、螺旋等耦合運(yùn)動以便進(jìn)行靈活操作[12-13].哈佛大學(xué)的Whitesides及其團(tuán)隊[4, 11]設(shè)計制作了大量氣動軟體致動器并進(jìn)行一系列實驗,這些致動器可以執(zhí)行許多動作,從而完成移動、爬行、游動、彈跳等復(fù)雜運(yùn)動.Hirai等[14]提出一種分析模型并使用可變形圓柱型致動器以展現(xiàn)這些運(yùn)動形式,并利用由多個單彈性管組成的一組氣動致動器實現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動.Moser等[15]應(yīng)用一種分析模型,通過平行組合纖維和采用額外的纖維創(chuàng)建了蛇狀致動器.Connolly等[3, 9]詳細(xì)分析了纖維增強(qiáng)型致動器的運(yùn)動如何受到纖維角度的影響,并提出了快速設(shè)計的分析模型.Sun等[16]提出了一種通過周向改變氣動軟體致動器的應(yīng)變約束層的每個步驟,以實現(xiàn)螺旋運(yùn)動的方法.

        雖然國內(nèi)外學(xué)者在氣動軟體致動器的設(shè)計方面開展了卓有成效的工作,但是如何對其建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型,并且采用何種方法是行之有效的,這仍是個具有挑戰(zhàn)性的難題.有限元思想提供了一種切實可行的解決途徑,考慮到軟體致動器的材料和幾何非線性,為了降低計算成本、揭示物理現(xiàn)象、滿足精度并提高效率,需要選擇合適的單元類型和非線性本構(gòu)關(guān)系.針對經(jīng)典位移場型的實體單元,高階單元通常比低階單元更精確有效,然而從計算效率來看,高階單元難以應(yīng)用于實際場合,因為其難以構(gòu)造且計算更耗時,尤其對于自由度龐大和幾何構(gòu)型復(fù)雜的三維軟體結(jié)構(gòu)更是如此,因此,在保證計算精度的前提下,采用低階單元更加高效.此外,在計算單元內(nèi)力陣和剛度陣時,如果采用完全積分法,會出現(xiàn)體積鎖定現(xiàn)象.為了避免體積鎖定問題且保證計算效率,采用選擇性縮減積分技術(shù)以解決該問題.綜上所述,采用縮減積分法的低階實體單元對氣動軟體致動器進(jìn)行建模是一種合理的解決方案.

        上述軟體致動器的共同之處在于它們具有氣動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造,不可壓縮超彈性體嵌入到一系列相互連接的氣腔中.之前大部分研究主要集中在設(shè)計制作、實驗及采用桿、梁等簡單模型進(jìn)行整體變形分析上[10, 17-18].相對而言,在考慮到相鄰兩氣腔互相接觸的情況下,對整個氣動軟體致動器進(jìn)行建模與分析則很少涉及,然而這正是我們感興趣和關(guān)注的地方.盡管以前的實驗研究已經(jīng)明顯觀察到軟體致動器相鄰兩氣腔彼此接觸的現(xiàn)象,但仍缺乏關(guān)于相鄰兩氣腔之間如何接觸的研究.迄今為止,在考慮接觸的情況下如何使致動器實現(xiàn)足夠彎曲變形、建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型并進(jìn)行整體構(gòu)型和應(yīng)力分布分析尚是一個未得到有效解決的難題.

        本文針對多腔體氣動軟體致動器相鄰兩氣腔之間的互相接觸問題,考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、材料和幾何非線性,采用多點(diǎn)接觸的面-面接觸方法,對其進(jìn)行建模與分析,解決了不考慮接觸時相鄰兩氣腔之間的穿透問題.仿真結(jié)果表明,接觸對致動器的大變形影響顯著.最后,對軟體四爪機(jī)構(gòu)抓取圓柱體的整個過程進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)研究,詳細(xì)闡述了整體構(gòu)型和Mises應(yīng)力變化,這有助于指導(dǎo)軟體致動器的優(yōu)化設(shè)計及力學(xué)特性研究.

        1 氣動軟體致動器

        圖1所示為常見的內(nèi)嵌4個氣腔的氣動軟體致動器,制作過程詳見文獻(xiàn)[19].為了清楚地顯示致動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性及簡化計算,首先以其一半作為研究對象,內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示.圖1和圖2中:L=44 mm,W=20 mm,W1=10 mm,H=13 mm,t=4 mm,t1=2 mm,t2=10 mm,t3=6 mm,t4=8 mm.

        圖1 氣動軟體致動器

        圖2 氣動軟體致動器的一半

        2 建模及非線性力陣

        采用能夠消除體積鎖定的、具有選擇性縮減積分的三維實體單元進(jìn)行建模,該單元所有場變量依賴于總體坐標(biāo)x、y、z.實體單元在空間中具有任意的幾何構(gòu)型、材料屬性和邊界條件,其形狀可以為平面或曲面的四面體或六面體.實體單元的每個節(jié)點(diǎn)具有3個移動自由度,從而可以在三維空間中實現(xiàn)任意變形.

        對于三維實體單元,容易構(gòu)造出形函數(shù)并進(jìn)行數(shù)值積分,實體單元上任意一點(diǎn)的位移矢量在總體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)陣為

        u(ξ,η,ζ,t)=N(ξ,η,ζ)qe(t)

        (1)

        (2)

        形函數(shù)對自然坐標(biāo)與對笛卡爾坐標(biāo)導(dǎo)數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

        (3)

        式中:J為雅克比矩陣,可表示為

        (4)

        2.1 單元彈性力陣及其導(dǎo)數(shù)陣

        設(shè)r為單元上任意一點(diǎn)的位置矢量,可表示為r=[xyz]T+u,定義G=[?r/?x?r/?y?r/?z]為變形梯度張量,G為變形梯度張量的行列式.右柯西-格林變形張量C=GTG,tr(C)為C的跡.

        引入體積能量罰函數(shù),超彈性不可壓縮材料的非線性Yeoh模型的單元應(yīng)變能為[20]

        (5)

        采用選擇性縮減積分技術(shù)以消除體積鎖定問題,則

        (6)

        式中:GC=G(ξC,ηC,ζC),C為單元的中心點(diǎn);κ為不可壓縮常數(shù);C10,C20,C30為材料常數(shù),通過拉伸試驗確定[20].I1為右柯西-格林變形張量的第一不變量,可表示為

        (7)

        將式(6)對單元坐標(biāo)陣qe求導(dǎo),可得單元彈性力陣為

        (8)

        將式(6)代入式(8),則單元彈性力陣可表示為

        (9)

        單元彈性力陣的導(dǎo)數(shù)陣為Qek對qe的導(dǎo)數(shù),即

        (10)

        2.2 單元壓力陣及其導(dǎo)數(shù)陣

        為了反映相鄰兩氣腔之間的接觸情況,首先需要求出作用于氣動軟體致動器的單元壓力陣.氣壓所做虛功可表示為

        (11)

        (12)

        (13)

        2.3 單元接觸力陣及其導(dǎo)數(shù)陣

        之前對接觸的研究大多集中于硬質(zhì)材料,而對軟體致動器的研究也只專注于整體變形,沒有考慮到軟體致動器相鄰兩氣腔之間的互相接觸,且整體構(gòu)型和應(yīng)力分析也很少涉及.本文不計相鄰兩氣腔之間的摩擦,假設(shè)給定的接觸點(diǎn)總是唯一地投射到任意表面,針對軟材料的軟接觸問題,引入多點(diǎn)接觸的面-面接觸方法研究相鄰兩氣腔之間的接觸情況.多點(diǎn)接觸的面-面接觸方法是指一個從單元的多個高斯點(diǎn)投影到相應(yīng)主單元上并與主單元的多個高斯點(diǎn)接觸的方法.為了避免穿透并提高精度,采用4×4個高斯點(diǎn),當(dāng)接觸剛度系數(shù)逐漸增大到一定值時,結(jié)果收斂.同時為了避免在每個時間步對任意兩個單元進(jìn)行窮舉幾何搜索,接觸檢測可分為全局檢測和局部檢測兩個階段,全局檢測階段消除了大部分組合,并且選擇一系列單元對進(jìn)行局部檢測,文中采用的全局搜索法是層次包圍盒算法[21].

        接觸分析中的接觸對由主面和從面構(gòu)成,如圖3所示.設(shè)v為從面上的從節(jié)點(diǎn),m為從節(jié)點(diǎn)v到主面上的最近投影點(diǎn)[22].R是從節(jié)點(diǎn)v的全局位置矢量,ρ為最近投影點(diǎn)m的全局位置矢量,相對位置矢量為rmv=R-ρ,nm為接觸主面的法向量,

        ρ=ρ(ξm,ηm)

        (14)

        圖3 最近投影點(diǎn)

        首先,構(gòu)造如下函數(shù):

        (15)

        然后,求最近投影點(diǎn)主要是求解式(16)的極小值問題

        ‖R-ρ‖=(R-ρ)·(R-ρ)→min

        (16)

        通過求解式(17)可得式(16)的解

        (17)

        rmv在接觸力的單位法線方向nm上投影為

        (18)

        顯然,當(dāng)d>0時,從面上任意一點(diǎn)和主面上投影點(diǎn)受到的接觸應(yīng)力pv=pm=0;而當(dāng)d<0時,穿透量δ=|d|.由罰函數(shù)法,從面上任意一點(diǎn)和主面上的投影點(diǎn)受到的接觸應(yīng)力為

        pv=kδnm,pm=-kδnm

        (19)

        式中:k為接觸剛度系數(shù).從面和主面的單元接觸力陣為

        (20)

        (21)

        2.4 靜平衡方程

        針對圖2所示一端夾持的多腔體氣動軟體致動器,可得具有約束的靜平衡方程

        (22)

        式中:λ為約束方程對應(yīng)的拉格朗日乘子列陣;Qk、Qp和Qc分別為系統(tǒng)總體廣義彈性力陣、廣義壓力陣和廣義接觸力陣;Φq為雅克比矩陣;Φ=0為氣動軟體致動器受到固定端約束的約束方程.

        (23)

        式中:nk為實體單元數(shù);np為受氣壓作用的單元數(shù);nc為接觸單元對數(shù).

        綜合使用Newton-Raphson迭代法和高斯積分法,對式(22)進(jìn)行求解,在迭代計算中,第i步和第i+1步具有以下關(guān)系:

        (24)

        (25)

        式中:Kk、Kp和Kc分別為Qk、Qp和Qk對總體廣義坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)陣,

        (26)

        3 仿真分析、實驗驗證與模型比較

        3.1 單個軟體致動器的仿真分析

        在考慮到相鄰兩氣腔之間的互相接觸情況下,通過求解式(22),采用多點(diǎn)接觸的面-面接觸方法,對圖2所示一端夾持的多腔體氣動軟體致動器在受氣壓作用下的變形進(jìn)行仿真分析,這里忽略重力的影響.

        本數(shù)值算例的氣動軟體致動器的外形尺寸如圖2所示,硅膠材料的各項參數(shù)如下:密度ρ=1 100 kg/m3,泊松比ν=0.499 5,Yeoh模型的材料系數(shù)C10=0.271 2 MPa,C20=0.030 53 MPa,C30=-4.013×10-4MPa,κ=1 000 MPa,接觸剛度系數(shù)k=4 N/mm3.

        為了清楚地觀察到軟體致動器氣腔的內(nèi)部變形和整體構(gòu)型變化,按照1 mm的間隔對該致動器劃分網(wǎng)格,當(dāng)氣壓p=35 kPa時,在考慮接觸與不考慮接觸兩種情況下,借助于MATLAB數(shù)值軟件進(jìn)行仿真對比分析,半個軟體致動器的變形后構(gòu)型分別如圖4和5所示.圖4為考慮接觸時半個氣動軟體致動器的變形后構(gòu)型,圖5為不考慮接觸時半個氣動軟體致動器的變形后構(gòu)型.從圖5可以看出在不考慮接觸的情況下,相鄰兩氣腔相互穿透,即圖中黑色虛線包圍的區(qū)域,這顯然不符合實際情況;而在考慮接觸的情況下,相鄰兩氣腔互相接觸,無穿透現(xiàn)象,這可以從圖4明顯地反映出.此外,為了清晰地顯示軟體致動器的相鄰兩氣腔之間的應(yīng)力分布,在考慮接觸時對該致動器的Mises應(yīng)力分布進(jìn)行計算,Mises應(yīng)力為

        σs={[(σx-σy)2+(σy-σz)2+(σz-σx)2+

        (27)

        式中:σx、σy、σz分別為第一、第二、第三主應(yīng)力;τxy、τyz、τzx為切應(yīng)力.從而得出變形之后構(gòu)型的 Mises 應(yīng)力分布情況,如圖6所示.

        根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性且考慮到相鄰兩氣腔之間的互相接觸作用,采用MATLAB軟件對圖1所示的整個多腔體氣動軟體致動器進(jìn)行仿真,可得在氣壓p=35 kPa時變形后構(gòu)型和Mises應(yīng)力分布,分別如圖7和圖8所示.圖7為考慮接觸時整個氣動軟體致動器的變形后構(gòu)型,圖8為考慮接觸時整個氣動軟體致動器的Mises應(yīng)力分布情況.從圖6和圖8可以清晰地發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最大值位于相鄰兩氣腔之間的接觸區(qū)域與連接相鄰兩氣腔的根部區(qū)域,這對氣腔壁承受氣壓是個極大的考驗,計算和分析這些區(qū)域的應(yīng)力變化有助于軟體致動器的優(yōu)化設(shè)計和力學(xué)性能分析.

        圖4 考慮接觸時半個軟體致動器的變形后構(gòu)型

        圖5 不考慮接觸時半個軟體致動器的變形后構(gòu)型

        圖6 考慮接觸時半個軟體致動器的Mises應(yīng)力分布

        圖7 考慮接觸時整個軟體致動器的變形后構(gòu)型

        圖8 考慮接觸時整個軟體致動器的Mises應(yīng)力分布

        3.2 實驗驗證與模型比較

        為了驗證所提出的多點(diǎn)接觸的面-面接觸模型對多腔體氣動軟體致動器建模的有效性和準(zhǔn)確性,并測試該致動器受不同氣壓作用下的彎曲性能,對受不同氣壓載荷作用下的軟體致動器進(jìn)行相應(yīng)的實驗研究,得到其變形狀態(tài),如圖9所示.從圖9中可以清晰地看出,隨著氣壓逐漸增大,軟體致動器的變形逐漸變大,即固有曲率輪廓逐漸增大.

        文獻(xiàn)[10]采用桿模型對氣動軟體致動器進(jìn)行研究,該模型基于彈性體的歐拉理論,即假定致動器的底層為彈性桿,是一種未強(qiáng)調(diào)相鄰兩氣腔互相接觸的簡化模型.

        圖10給出了利用兩種不同模型得到的加壓氣動軟體致動器的變形形狀.圖中氣壓p依次取值為0,5,15,25,35 kPa.圖中實線、虛線及離散點(diǎn)分別對應(yīng)于利用多點(diǎn)接觸的面-面接觸模型獲得的結(jié)果、桿模型獲得的結(jié)果及實驗數(shù)據(jù),其中,實驗數(shù)據(jù)可以通過測量圖9中致動器上的各個黑色標(biāo)記點(diǎn)的位置而獲得.從圖10中可以看出,軟體致動器的變形隨著氣壓增加而變大,當(dāng)氣壓小于p=15 kPa時,即在小變形范圍內(nèi),采用上述兩種模型得到的仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本一致.當(dāng)氣壓大于p=25 kPa時,隨著彈性變形逐漸增大,使用多點(diǎn)接觸的面-面接觸模型得到的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合,而使用桿模型得到的結(jié)果逐漸偏離實驗數(shù)據(jù),誤差逐漸變大.這表明與桿模型相比,在大變形階段,利用多點(diǎn)接觸的面-面接觸模型能夠有效提高模擬大變形彎曲的精度.

        圖9 受不同氣壓載荷作用的軟體致動器的變形狀態(tài)

        圖10 利用兩種不同模型得到的軟體致動器的變形形狀

        3.3 軟體四爪機(jī)構(gòu)的仿真分析

        利用3D打印技術(shù)制造一個裝載氣動軟體致動器的平臺,如圖11(a)所示,具體尺寸為Lg=96 mm,l=34.5 mm,h=3 mm,h1=10 mm,h2=8 mm,w=27 mm,l1=23 mm,w1=20 mm,l2=20 mm,w2=17 mm,m=5 mm,其余各項參數(shù)與單個致動器的參數(shù)相同.

        將圖1所示的4個相同的氣動軟體致動器裝載到圖11(a)所示的平臺中,組裝成圖11(b)所示的軟體四爪機(jī)構(gòu).利用圖11(b)所示的軟體四爪機(jī)構(gòu)對抓取圓柱體的整個過程進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析.軟體四爪機(jī)構(gòu)與圓柱體的位置關(guān)系如圖12所示.

        圖11 平臺和軟體四爪機(jī)構(gòu)

        圖12 抓取圓柱體的軟體四爪機(jī)構(gòu)

        在分析了上述單個軟體致動器之后,為了驗證該致動器的性能,在考慮接觸的情況下,采用多點(diǎn)接觸的面-面接觸模型對該軟體四爪機(jī)構(gòu)抓取圓柱體的整個過程進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)仿真分析.圓柱體的密度為 3 388 kg/m3,直徑為32 mm,高為36 mm.初始時,軟體四爪機(jī)構(gòu)與圓柱體之間互不接觸,圓柱體在支撐平臺上處于靜止?fàn)顟B(tài).隨后,該四爪機(jī)構(gòu)的4個致動器開始均勻充氣直到在t=1 s時達(dá)到35 kPa為止,之后保持該氣壓值不變,氣壓的加載曲線如圖13所示.在t=2 s時,將支撐平臺撤掉,在摩擦力作用下,圓柱體保持平衡.

        考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性,取四分之一圓柱體進(jìn)行研究,軟體四爪機(jī)構(gòu)與圓柱體之間為點(diǎn)接觸,如圖14所示,這是機(jī)器人抓爪或人類手指抓取類型的最常見方式.

        作用于四分之一圓柱體的力由帶箭頭的紅色實線表示,法向接觸力FN和摩擦力Ff必須滿足以下靜力學(xué)準(zhǔn)則:

        Ff≤μFN

        (28)

        式中:μ為靜摩擦系數(shù),取值為0.25.摩擦力Ff的大小為四分之一圓柱體的重力.

        考慮摩擦力作用和位移約束,可得單個氣動軟體致動器的靜平衡方程:

        (29)

        式中:Qg和Qf分別為系統(tǒng)總體廣義重力陣和廣義摩擦力陣;ΦN=0為軟體致動器與圓柱體接觸點(diǎn)的位移約束方程,λN為位移約束方程ΦN=0對應(yīng)的拉格朗日乘子列陣.根據(jù)式(29),可以計算出幾個時刻的法向接觸力FN和摩擦力Ff的變化情況,如表1所示.

        為了更具體和清晰地反映出軟體四爪機(jī)構(gòu)抓取圓柱體的整個準(zhǔn)靜態(tài)過程,繪制出其不同時刻的構(gòu)型,如圖15所示.

        結(jié)合圖13、圖15和表1可知,在初始時刻t=0 s時,整個機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài);在t=0.5 s時,軟體四爪機(jī)構(gòu)的4個致動器均勻充氣膨脹產(chǎn)生彎曲變形而與圓柱體接觸,法向接觸力FN大于0,此時圓柱體還處在支撐平臺上保持不動;在t=1 s時,充氣氣壓達(dá)到最大值而使4個致動器與圓柱體緊緊接觸,F(xiàn)N增大;直至t=2 s為止,圓柱體的重力與支撐力平衡而仍保持不動,摩擦力Ff的大小為0,F(xiàn)N保持不變.在t=3 s時,達(dá)到新平衡狀態(tài),F(xiàn)N和Ff滿足平衡條件.

        表1 法向接觸力FN和摩擦力Ff

        圖13 氣壓載荷-時間曲線

        圖14 四分之一圓柱體

        圖15 在不同時刻軟體四爪機(jī)構(gòu)抓取圓柱體的構(gòu)型

        此外,為了顯示軟體四爪機(jī)構(gòu)抓取圓柱體時的應(yīng)力分布,根據(jù)式(27),可得未變形構(gòu)型和變形后構(gòu)型的Mises應(yīng)力分布情況,如圖16所示.由圖16可知,在初始時刻t=0 s時,整個機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài),其在未變形構(gòu)型時的Mises應(yīng)力分布為0;在t=3 s時,圓柱體在摩擦力作用下保持平衡,圓柱體與軟體四爪機(jī)構(gòu)之間的壓力必須足夠大,以滿足摩擦力小于極限摩擦力.從顏色條可以看出相鄰兩氣腔之間的接觸區(qū)域Mises應(yīng)力達(dá)到最大值,這個區(qū)域的應(yīng)力變化情況特別值得注意,計算和分析這個區(qū)域的應(yīng)力,有助于在不破壞氣腔壁的前提下進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計軟體致動器并分析力學(xué)特性.

        圖16 軟體四爪機(jī)構(gòu)抓取圓柱體的Mises應(yīng)力分布

        4 結(jié)論

        針對現(xiàn)有梁、桿等簡單模型對氣動軟體致動器進(jìn)行整體變形研究的局限性,且與剛性材料的硬接觸不同,本文對多腔體氣動軟體致動器的軟接觸問題,建立了準(zhǔn)確的力學(xué)模型,進(jìn)行了整體構(gòu)型和應(yīng)力分布分析.綜合考慮相鄰兩氣腔之間的互相接觸作用以及氣腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、材料和幾何非線性,采用多點(diǎn)接觸的面-面接觸方法,解決了不考慮接觸時相鄰兩氣腔之間的相互穿透問題.通過相應(yīng)的實驗,驗證了本模型的有效性,與桿模型相比,有效地提高了模擬大變形彎曲的精度.

        本力學(xué)模型能夠模擬在不同氣壓作用下軟體致動器的彎曲變形,適用于研究各類致動器的大變形問題,不僅可以分析軟體致動器的整體變形,而且能夠描述氣腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況.在考慮到相鄰兩氣腔之間的互相接觸時,能夠準(zhǔn)確地模擬其變形后構(gòu)型;而在不考慮互相接觸時,相鄰兩氣腔相互穿透,這明顯不符合實際情況.

        軟體四爪機(jī)構(gòu)在變形過程中的整體構(gòu)型和Mises應(yīng)力變化揭示,相鄰兩氣腔之間的接觸對致動器的變形影響顯著.相鄰兩氣腔之間的接觸區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)域,如何在保證材料不屈服的條件下增大氣壓以實現(xiàn)成功抓取,是未來軟體致動器設(shè)計需要考慮的一個重要問題.本文提出的力學(xué)模型對于氣動軟體致動器的力學(xué)特性分析、優(yōu)化設(shè)計以及驅(qū)動性能研究具有一定的理論參考價值.

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