手动振动机剪铰结构机构的设计与分析外文翻译资料

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手动振动机剪铰结构机构的设计与分析

摘要

在工程实践中，机械振动起着非常重要的作用，这种振动会导致一些负面的问题。振动是由各种因素引起的，如受约束的机器振动会导致设备的磨损或损坏。振动机械会产生不必要的声音，造成保养问题，并导致老化。它还会导致机器使用更多的功率，并可能导致产品的不良状况。为了减少振动的负面影响，提出了一种设计，即在使用手提钻、重型钻机等设备时，不仅能在一定程度上减少振动，而且还能支撑人体。剪状结构(SLS)可以应用于许多其他工程应用，以实现更高质量的振动控制。本文在CATIA的帮助下设计了一个SLS模型。考虑了各种参数的影响，选取合适的量纲进行模型分析。计算是在MATAB的帮助下完成的。同时，考虑到振动引起的所有负面问题，设计了一种用户友好的外骨骼。利用这种创新的设计模拟，进行了实验。计算结果表明了该模型的有效性，并消除了失效的可能性。最后计算出了SLS的固有频率。

1. 介绍

在本文中，我们的目标领域是简化如手提钻或破碎机等重载设备的管理过程，因此我们设计并分析了一种受鸟类四肢结构启发的手动被动外骨骼(图1)。它容易使用，价格合理，主要用于在任何机械过程中的减振。这种结构的特点是，即使在重载下他也能抑制震动的传递。因此，这种结构可能也适用于重型设备或正常的垂直钻机这两种类型的机器。结构的主要概念源于自然界，例如，啄木鸟的喙结构天生就不会让高频振动到达大脑，从而避免了任何脑出血或损伤[3]。这可能是由于它们各自的结构在吸收振动以保护自身时起着重要作用。

本文对模态分析进行了共振验证，并将其与文献中的其他结果进行了比较，给出了较好的解，首次考虑了带弹簧和不带弹簧两种情况。振动会引起神经系统的变化，甚至会损伤几个关节。总的来说，这些影响被称为手-臂振动综合征，它们可以通过本文[1]中提出的结构来避免。SLS在操作任何机械设备时也提供手部支持。此外，该设计克服了传统减振技术的局限性。对现有系统的进一步研究和改进将集中在尺寸的减小和结构参数的提高上。潜在的负面影响来自外骨骼的尺寸，随着更多的研究和研究，这一缺点将得到解决，这将使它更容易使用[2]。该技术创新可以很容易地发展成可穿戴的抗振动技术，将处理更广泛的振动设备。

（图1）X形结构的肢体骨架[11]

该结构在各种工程振动控制领域具有广阔的应用前景。Xingjian Jing and LinliZhang [1] 为防振设备设计了一种仿生结构。这代表了一种吸收振动的结构。系统采用了防振材料。Lacarbonara[7]设计了一种新型的6自由度被动隔振器，基于Stewart平台配置进行了理论研究和实验验证。6自由度隔振器以6个X型结构为支腿，以被动方式实现6个方向均具有良好的可调隔振性能。Jerome E. Ruzicka et al.[11]给出了带阻尼效应的隔振概念，后来加以解释，这有助于计算部分。Anekar et al.[12]解释了不平衡质量机械激振器的设计和测试。本文对振动结构的数学建模有一定的指导意义。

1. 研究方法

隔振系统的基本原理始于1978年，Dange和Gore[4]利用Pc仿真方法对非线性隔振器进行了研究。1979年，科学家对同一系统中隔振器的结果[5]进行了分析，证明非线性系统的隔振效果是值得注意的。他们以这样一种方式使系统在一个小范围内包含非线性特征，以抑制振动传递性与适当的非线性刚度设置。近年来，非线性振动控制系统受到了广泛的关注。在这个活跃的领域中，可以看到几篇最新的文章，提供了很好的内容。我们认为，如果非线性动力学可以通过可实现的结构设计完全应用的话，良好的被动振动控制是可能的。

本文研究了准零刚度或零刚度系统，或高静低动刚度系统，很清楚地证明了这一思想。[7]的一系列新研究提出了一种生物启发结构方法，该方法将非线性动力学的优点和可实现的结构设计结合在一起，以一种完全被动的方式，给予卓越的振动控制性能。SLS也受到鸟类四肢工作的影响。肢的运动被认为是为了制造这样一种结构，来自源的振动在到达接收器之前将被吸收。

为了实现该机构的鸟类保护免受振动，采用了准零刚度。对于文章中提出的SLS设计，主要的灵感来源于啄木鸟。啄木鸟的喙有锯齿状的鳞片，这有助于它们防止电击和任何对大脑的进一步损害。该结构的设计如图1所示。这是一个简单的4层设计，其中一根杆长延长，另一根杆长为第一根杆长的两倍。在建模过程中，将鸟喙视为一个固定体M2，并将两个平行的x形结构简化为一个，同时保持其优势。

考虑两个质量M1和M2，系统的度为1。x形结构的杆重也可以在上部质量M1中等效地考虑。

所使用的弹簧为刚度为k的守恒型线性弹簧，并对各参数的影响进行了评估。建立了系统仿真模型，并在参数较少的情况下进行了仿真分析。在对不同结构参数的系统进行检测后，对系统进行了完整的分析，并计算出系统的期望效率值。利用CATIA对系统进行建模。其中，使用基本链接机制对整个系统[8]进行建模。

1. 设计

该SLS的主要设计基于如图1所示的鸟肢。这种类似的结构也可以在颅骨结构中观察到。整个结构的概念是生物启发的自然事物，如树，鸟[10]显示出自然的能力来控制振动和平衡力量。这种结构旨在减少振动，避免对操作人员的潜在损害。

3.1机构

SLS是基于鸟的肢体，这有助于吸收振动波，使系统具有较少的动态刚度。因此，系统工作的主要原理是水平准零刚度。准零刚度(QZS)是一种适应高静低动刚度趋势的隔离装置。例如，凸轮-滚子-非线性弹簧机构，其中两个水平阻尼器对称安装，用作负刚度提供器，与垂直弹簧并联连接。由于SLS有利的非线性刚度，当转移到操作手柄时，重型机械中的振动将被大大抑制，因为故意创建的准零刚度[6]。准零刚度机构的特点是具有相当大的静刚度，但很少(理论上为零)的动刚度。该机构由一个垂直弹簧和另外两个弹簧并联作用，当它们以一定的角度倾斜时。采用该机构的主要原因是采用负刚度单元来获得低刚度而不产生大静挠度[13]，因此QZS被认为是可行的基本概念。为了进行数学建模，如图2所示，对第二个质点施加位移激励，系统为一个自由度系统。质量1的整个运动用y表示，基激励用z表示，每根连杆的转动角度用u表示，小杆长度的每一层旋转关节的水平运动为x，运动y的正方向为向上。在真实场景中小连杆L1的长度选择为x，大连杆的长度为2x。

用一种简化的方法，当一个力作用到系统的最上面的部分，这里我们把它看成M1，系统会有一点偏转。这个偏转是由于振动和作用力的角度的变化。当该结构应用于重载设备时，它借助X形结构设计来吸收振动。从而使机制发挥作用。考虑弹簧刚度效应的四层连杆的力矩及其运动是整个机构的重要组成部分。

3.2数学方法

（图2）剪式结构组件的一侧。

x表示杆L1的水平运动。x表示杆L1的水平运动。但弹簧位于杆L2之间，L2/L1的比值取为2。这里L1是一个小结构的边长，L2是一个大结构的边长。因此，取弹簧变形量为4倍x，其势能为：

拉格朗日函数为：

拉格朗日原理是：

其中L是拉格朗日函数，表示为L = T-V, D是总阻尼耗散的能量。可以得到：

式中c为结构的阻尼系数。将动能、势能和输运运动代入拉格朗日原理，可得动力学方程为

利用泰勒级数展开和调和平衡法，可得透射率方程为:

谐振频率为：

下面给出的参数作为计算和粗略模型草图的初始参数。稍后，这些尺寸将根据原型设计的要求进行验证和分析。

3.3参数的影响

质量(M1)的作用:质量M1在像机器一样的重型地面钻机操作时，产生向下的推力。这个力一般从5公斤到50公斤不等，几乎是操作体重量的一半。这有助于用户提高推土机的功率，并在运行过程中保持结构的刚性。将操作设置为给定的参数和相同的杆材，可以将上部质量M改变为不同的值，以检测向下的力对振动传递的影响。虽然，这里的共振频率被消除到一个水平，这是非常小的，如果比较。这就证明了非线性刚度特性对本文提出的模型是有益的。

弹簧刚度(k)的影响:在本文提出的设计中考虑有弹簧的情况下，不同弹簧刚度的位移传递率表明，振动频率与弹簧刚度有关。随着弹簧刚度的减小，谐振频率和透射率峰值也随之减小。并且，随着抑制的增加，系统的刚度“k”减小。

阻尼系数的影响(c):参照表1中的参数，可以看出峰值与阻尼系数成反比。由于线性阻尼的存在，振动的传递性在较高的频率下变差。

杆件角度的影响(theta;):其他参数均为之前设置的相同设置，杆件为pi/6、pi/4、pi/3。由于谐振频率变得更小，组装会从600到300发生变化。结果表明，该系统具有较好的QZS特性。因此，可以得出结论，连杆角度是减少设备到操作工臂振动传递的关键参数，如表2[9]所示。

1. 软件建模和分析

4.1建模

在预处理(建立模型)中，利用软件建立模型，生成适当的有限元网格，应用适当的边界条件，并对完整的模型进行审查。我们的分析是一个静态结构分析。它在左侧的工具箱中，需要通过双击它或将它拉入平面来插入项目原理图。预处理包括网格划分、建模和有限元分析。采用四面体网格对构件进行建模。网格化后，加载和连接被设置，然后进一步给出属性。处理是由软件完成的，该软件编译提供的数据在预处理和分析完成后显示的结果是后处理的一部分。后处理给出了计算结果的概念。本文提出了有限元分析前处理和后处理的相关问题。它回顾了前置和后置处理器所需的能力，并建议在不久的将来可能产生的增强和新特性。标准程序用于结构建模。首先对零件进行制作和网格划分，得到三维确定模型;接下来，将负载应用到系统。在工作模型中，给出了系统的关系和连接，并将其属性设置为1个开放节点，其余节点固定为一个平面上的力矩。在网格划分中使用四面体网格或三网格命令。对于加工步骤，采用了上述的有限元方法和性能。最后，结果是由一个小的chrome报告文件软件给出的。在这篇文章中，两种类型的情况考虑建模外骨骼。首先，系统两侧都装有弹簧，在第二种情况下结构没有弹簧。两种情况下得到了两种不同的模态结果。

4.2最终参数

在考虑了不同参数对系统工作的影响后，选择了最合适的尺寸，并对之前的测量值进行了更新。

采用以下测量方法构建CAD图，并考虑进行失效消除试验。

使用CATIA软件得到所有显示的分析结果。结果表明，该设计使用安全，无共振现象。检查了共振，以消除任何失败的机会。因为如果结构是共振的，振幅也必须很高，这会导致结构的磨损。因为，共振频率与引起结构失效的振幅成正比，这就是为什么对结构进行模态分析是重要的。在此过程中，得到了带弹簧和不带弹簧结构设计的固有频

4.3模态频率分析

在这里，模态分析继承了系统的固有频率、阻尼因子和模态振型的动态特性。模态频率、阻尼系数和相关模态振型可用于结构减振，或用于驱动功能减振，以避免共振情况。在CATIA中对图3-5所示的图进行分析，检查模型的谐振。当系统发生谐振时，共考虑10个模态。但是，结果没有发现共振，因此可以得出系统在工作时不会发生故障的结论。系统上下运动时的两个不同位置如图3所示，情况二无弹簧时的类似情况如图4所示。从给定的模态分析中，没有观察到有利于减振性能的特殊低频(图6)。工程师使用MATLAB软件对数据进行设计、优化和可视化，并对硬件进行仿真和处理。本文利用MATLAB对位移传递率进行参数化仿真计算。此外，这里使用MATLAB提供精确的数据分析，以位移传播率与频率的形式图形化表示结果。在考虑参数变化的情况下，对数据进行计算，绘制出位移传播率随频率变化的曲线图。第一步是设计一个代码，输入参数和给出结果所需的Td，考虑各种函数的放大，检查，随着参数的变化，得到不同的Td值，这些值是根据频率绘制的。x轴为频率，y轴为位移传递率。上述程序的流程图如图7所示，它给出了对参数方差的洞察。

5. 结果

给定的表具有SLS模态分析的频率。分析结果表明，通过调整结构参数，可以在降低固有频率的前提下获得合理的减振性能，同时考虑到结构的高承载能力、高位移运动，且不存在任何与平衡有关的问题。

（图3）CAD建模(a)案例一带弹簧(b)案例二不带弹簧。

（图4）弹簧刚度为200 N/m时的频率分析。

在4 ~ 50hz的频率范围内增加振动，减小加权透射率，或在6 ~ 20hz的频率范围内增加加权，可得到较好的参数设置。因此，为最新的SLS CAD模型确定了给定的尺寸。Td相对于频率的变化如图9中由MATLAB得到。

进一步分析了频率随模态数变化的曲线图。考虑两种不同的情况，一种是有弹簧，另一种是没有弹簧。我们可以看到频率是如何随模态变化的。图8的结果表明，在有无弹簧的情况下，随着模态数的增加，频率也随之增加。鸟类有这种类型的结构机制，用来保护从振动准零刚度。SLS的设计灵感来自啄木鸟。啄木鸟的喙有锯齿状的鳞片，这有助于它们防止电击和任何对大脑的进一步损害。所有这些观点都体现在鸟肢的机制上，如图1所示。图8的

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