运动力学在机械结构设计中的应用研究.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2024 年 01 月 10 日 作者简介:张祝华(1985),男,汉族,山东济南人,大学本科,工程师,中级,产品设计工程师,研究方向为铸铁类产品开发。-37-运动力学在机械结构设计中的应用研究 张祝华 张 强 夏晓璞 玫德集团有限公司,山东 济南 250400 摘要:摘要:运动力学及其在机械结构设计中应用能使设计者预测机械系统在运动过程中的性能,再针对运动特性、动力学响应和潜在的故障模式进行深入分析,进而有助于优化结构设计,能提高机械系统可靠性。在此基础上,运动力学还能促进相关机械结构设计的创新与技术发展,为现有系统提供强有力的理论支持。基于此,本文对
2、运动力学在机械结构设计中的应用进行研究分析,并提出基于运动力学的机械结构设计方法,以供参考。关键词:关键词:运动力学;机械结构设计;设计方法 中图分类号:中图分类号:TH12 0 引言 机械结构设计属于现代工程领域中的核心内容,其涉及各类机械结构优化设计。在机械结构设计中,力学原理属于关键基础,而运动力学属于力学重要分支,用于研究宏观物体运动规律。运动力学在机械结构设计中应用有助于工程师分析机械结构的运动力学特性,提高设计的准确性和效率。本文在此背景下,将探讨运动力学及机械结构设计中的应用研究,为工程结构设计提供理论与实践支持。(1)运动力学在机械结构设计中的综合应用分析;(2)运动学分析的应
3、用;(3)运动轨迹规划 运动轨迹规划设计对机械系统各组成部分如关节的运动范围及其规律进行细致的分析和设计,确保机械系统能够按预定路径上精确、高效运行。尤其在涉及复杂操作的系统,如机械臂,此种规划尤为必要。运动轨迹规划核心在于基于运动学分析确立机械系统中各组件的运动模式,通常分析依赖于对机械系统结构与运作原理的解析。例如,设计机械臂时,工程师需考虑到其运动范围、速度、加速度,以及与其他部件的相互作用等因素。而从作用角度而言,合理运动轨迹规划能提高机械系统运行效率,显著提升其执行任务精度,对要求高精度与高效率的工业应用尤为关键。例如,自动化生产线上,精确运动轨迹规划能确保机械设备快速且准确完成装配
4、、焊接等操作,提高生产效率与产品质量。1 步态分析 步态分析在行走机器人研究领域占据着核心地位,涉及对机器人步态分析中运动规律的深入探究。具体而言,通过对机器人行走过程中各关节的运动学分析,相关人员能详细了解这些关节如何协同工作,及其相互作用。基于分析则能揭示机器人步态动态特性,为理解其运动模式提供基础。关键在于,步态分析的基础上能设计并实现高效稳定的步态控制算法,通过对动力学与控制理论的计算,实现关节运动的精细调控,显著提高机器人在复杂环境中的适应性。步态分析还能对机器人机械结构设计提供指导意见。基于分析步态数据,工程师能识别并优化机器人结构中不足之处,提高其行走稳定性和运动效率。例如,调整
5、关节连接方式或改进驱动系统,以此提高机器人在不同地形上的行走能力。1.1 动力学仿真的应用(1)力学性能评估 在机械结构设计领域,精确掌握系统在多种工况下的力学行为是确保设计核心原则的关键步骤。为实现此目标,需要应用动力学仿真技术,在技术加持下,才能让工程师在虚拟环境中重现机械系统实际受力时的运动响应,展示系统整体动态行为,细致分析各关键部件在受力时应力分布、形变情况及可能疲劳寿命。动力学仿真还能为系统设计提供优化空间。例如,对不同设计方案仿真比较,优劣比较后能有效优化零部件尺寸,选择适合材料,提升系统结构强度。在现代中国科技期刊数据库 工业 A-38-机械设计中,以仿真为基础的方法已成为提高
6、设计效率、降低成本和缩短产品开发周期的重要手段。因此,动力学仿真在机械结构设计中的应用是一种有效应用途径,要求设计师不断追求更高的精度和完善性,以确保产品性能满足甚至超过预期标准。(2)振动分析 振动作为机械系统中普遍现象,可能会影响系统的稳定性。在工程领域,运维工作离不开振动控制分析。为深入理解振动问题,动力学仿真技术能起到有效的解决途径,通过动力学仿真,工程师能模拟机械系统实际操作过程中的振动行为,分析振动频率、幅度等参数,以此实现振动根本原因的识别,判别问题来源于结构缺陷还是操作不当,最终给出具体解决方案。对振动问题的解决方案,工程师可采取多种措施解决:其一,优化机械结构设计,通过调整结
7、构参数或增加阻尼元件来减少不必要的振动。例如,改善零件的对称性和质量分布,减少由不平衡引起的振动。其二,安装适当减振器,吸收并减弱振动能量,提高系统整体稳定性。1.2 优化设计的应用(1)参数优化 参数优化为工程师提供了系统性方式来评估并改善设计方案性能,这涉及对设计参数精确选择与调整,在此基础上,设计师能探索在不同参数设定下的设计方案表现,在众多可能设计中找到最佳参数组合。在机械结构设计领域,参数优化的应用能对性能等参数起到较大影响作用。例如,通过优化零部件的尺寸、形状和材料选择,能以此提升产品性能,提升系统效率与可靠性。同时,此类参数的优化方案能被适用于割裂机械系统,具有较强的共性,不论是
8、简单机械装置还是复杂工业设备,参数优化都能为其性能与效率提升提供支撑。此外,基础的参数优化方法还有助于降低成本与节约资源,助力工作热源找到更经济、更有效的材料与设计方案。(2)拓扑优化 拓扑优化作为现代工程设计领域的重要分支,其主要聚焦于通过调整机械拓扑结构来实现其性能优化。拓扑优化方案的核心在于通过科学地增减材料分布,改变结构形态与连接方式,进一步达到提高结构性能目的。在实际应用中,拓扑优化通过精细化的设计,有效降低结构的重量,这在航空航天、汽车制造等对重量敏感的领域尤为重要。同时,拓扑优化还能增强结构的刚度,即提高其抵抗变形的能力,起到保障结构稳定增强和耐久增强的作用。拓扑优化还能减少应力
9、集中,即避免在结构的某些局部区域承受过高的应力,防止材料疲劳和断裂,延长结构的使用寿命。在当今的工程实践中,拓扑优化已并非简单的理论层面探讨,而是实在地应用于各种工程结构的设计之中。例如,在桥梁设计、建筑结构以及机械零部件等方面,通过拓扑优化,工程师能够设计出更轻便、更坚固、更经济结构。随着计算技术与材料科学的日新月异,拓扑优化应用范围和深度不断拓展,为现代工程设计提供更为广泛的应用前景。2 基于运动力学的机械结构设计方法 2.1 将运动分析与机构设计相结合 运动分析在机械结构设计中能确保机械系统以高效、精确方式运作。机械设计核心目标在于创造系统,要求系统符合预定的运作方式,同时在效率和准确性
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