● 摘要
柔性铰链是指利用材料弹性变形而产生位移的运动副，具有易装配、无间隙、免摩擦等优点。缺口型柔性铰链非功能方向刚度大、定位精度高，但是运动行程有限且易产生应力集中，其应用领域受到极大限制。随着精密工程、航空航天工程等应用领域的发展，对大行程柔性铰链和大行程、高速、高精度柔性精密机构的需求日益迫切。目前关于大行程柔性铰链的研究主要集中于结构和运动分析、构型和拓扑优化设计，而在动力学分析与设计方面较少涉及。因此，关于大行程柔性铰链的动力学问题的研究，具有重要的理论意义和应用价值。鉴于此，本文研究了由簧片柔性单元构成的大行程柔性铰链的动力学分析与综合问题，主要包括大行程柔性铰链动力学建模与特性分析、优化设计和实验研究等方面的内容。具体研究内容如下:（1）研究了大行程柔性铰链的动力学建模方法。提出了一种基于簧片柔性单元瞬心的大行程柔性铰链动力学建模方法，并对利用柔性梁约束模型建立大行程柔性铰链动力学模型的可行性进行了分析。通过分析平行四杆柔性铰链的一阶固有频率，验证了两种动力学建模方法的有效性和精确性。（2）首先，建立了交叉簧片柔性铰链在平面广义载荷作用下的运动学模型。基于该模型，对铰链的刚度特性和精度特性进行了评估；其次，建立了考虑垂直力影响的交叉簧片柔性铰链非线性动力学模型，并探讨了垂直力和加工误差对铰链一阶固有频率的影响。最后，提出了两种优化设计准则，分别以相对轴漂最小、相对轴漂与一阶固有频率综合最优为设计指标。利用两种优化设计准则，设计了两种基于交叉簧片柔性铰链的柔性直线机构。（3）根据边界约束条件，将环形柔性铰链分为ASFP I 和ASFP II。基于簧片的位移约束假设，建立了ASFP I 和ASFP II的精确运动学模型，进而，对ASFP I 和ASFP II的转动刚度和屈曲特性进行了分析，并讨论了几何和形状参数对ASFP I的刚度和应力特性的影响；其次，建立了ASFP I的非线性动力学模型，基于该动力学模型，对ASFP I的一阶固有频率关于几何参数的灵敏度进行了分析。最后，提出了分别以综合刚度和一阶固有频率为优化指标的优化设计准则，并得到了两种具有不同几何参数环形柔性铰链。（4）基于非线性动力学模型，对ASFP I的幅频、混沌等特性进行了分析，进而探讨了材料、几何参数对ASFP I的混沌特性的影响。（5）大行程柔性铰链的动态特性易受外载荷和质量影响，为此，搭建了一套利用激光测振仪测振的大行程柔性铰链动力学试验平台。分别对平行四杆柔性铰链和环形柔性铰链的频率特性进行了测试，通过试验与理论及仿真结果对比，互证了动力学模型以及实验系统的合理性与准确性。