創(chuàng)新實驗項目申請書基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響的重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)建模研究

1、中南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目項 目 申 請 書(理工類)項目名稱：基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響的重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)建模研究申 請 人： 孫潔潔 所在班級： 機(jī)械0912班 指導(dǎo)教師： 學(xué)科專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 所在單位： 機(jī)電工程學(xué)院 聯(lián)系電話：e - mail： 495258393 申請日期： 2011年6月1日 中 南 大 學(xué)2011年6月填 寫 說 明1本申請書所列各項內(nèi)容均須實事求是，認(rèn)真填寫，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)，簡明扼要。2本申請書為大十六開本（a4），左側(cè)裝訂成冊。可網(wǎng)上下載、自行復(fù)印或加頁，但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。3申請人所在學(xué)院認(rèn)真審核，簽署

2、意見后，將申請書（一式兩份）報送本科生院特色教育辦公室。一、簡況項目名稱基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響的重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)建模研究所屬學(xué)科機(jī)械工程批準(zhǔn)經(jīng)費20000起止年月2011年 3月至 2013 年 3月申請人姓名孫潔潔性別男民族漢出生年月1990.9身份證號0806091428指導(dǎo)教師職務(wù)職稱電話項目參與人性別出生年月班級學(xué)院學(xué)號電話孫潔潔男1990.9機(jī)械0912班機(jī)電工程學(xué)院080609142815200861243吳書舟男1991.9機(jī)械0912班機(jī)電工程學(xué)院080609142415200868385高雨男1991.1

3、0機(jī)械0912機(jī)電工程學(xué)院080609142518643996977李帥男1987.3機(jī)械工程09級機(jī)電工程學(xué)院09371113213875942420申請人曾參與和本項目相關(guān)科研的情況具有開拓創(chuàng)新的精神，曾參加“金工大賽”和中南大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，對于機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人學(xué)等學(xué)科擁有扎實的基礎(chǔ)和良好專業(yè)技能，并能熟練應(yīng)用cad 、proe、ansys、adams等三維和仿真軟件。指導(dǎo)教師承擔(dān)本項目相關(guān)科研課題情況項目情況簡介在重載裝置動力學(xué)建模方面，通常把系統(tǒng)簡化而忽略了很多因素的作用，使得建立的系統(tǒng)模型難以解耦，也影響了后續(xù)的控制研究精度。本研究在分析機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)反向微動時主動

4、力和從動力變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了反作用力響應(yīng)盲區(qū)的概念，嘗試建立考慮運動副摩擦情況下的重載裝置動力學(xué)模型，并且在研究反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)各運動副反力的不確定性與重載裝置動力學(xué)模型奇異性的基礎(chǔ)上，試圖提出運動副的接觸摩擦狀態(tài)的判斷方法，建立相應(yīng)的摩擦約束方程，使重載裝置動力學(xué)模型完整可解。同時根據(jù)重載機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定條件及摩擦約束條件，得出重載裝置整體的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一動力學(xué)方程，分析其力封閉性和承載能力 ，建立拓?fù)渫瑯?gòu)及變元優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。二、課題論證（一）立項依據(jù)與研究內(nèi)容（4000-8000字）1 立項依據(jù)(研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展

5、動態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢來論述科學(xué)意義；或結(jié)合國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題來論述其應(yīng)用前景。附主要參考文獻(xiàn)目錄)1.1機(jī)械系統(tǒng)及其動力學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢當(dāng)今世界正經(jīng)歷著一場新的技術(shù)革命。新概念，新理論，新方法，新工藝不斷出現(xiàn)。作為向各行各業(yè)提供裝備的機(jī)械工業(yè)，也得到了迅猛的發(fā)展?，F(xiàn)代機(jī)械工業(yè)日益向重載，高速，高精度，高效率，低噪聲等方向發(fā)展，對機(jī)械提出的要求也越來越苛刻。然而作為國家基礎(chǔ)制造能力表征的巨型重載操作裝備，如：重載塔吊裝置，重載輸送裝置，重載鍛造操作裝置，履帶式起重機(jī)等等，其設(shè)計與制造水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。例如：國內(nèi)最大的鍛造操作機(jī)夾持的最大重量是北方

6、重工的200t，但是其整機(jī)水平還有待于進(jìn)一步驗證；而德國的西馬克公司已經(jīng)超過了300t，載重力矩630tm并且能夠?qū)崿F(xiàn)和壓機(jī)的聯(lián)動1；歐洲起重機(jī)的平均噸位在800噸，而我國目前這一數(shù)字卻不到200噸2。我們國家在巨型重載操作裝備上遲遲不能縮短與世界領(lǐng)先水平的差距已經(jīng)嚴(yán)重的阻礙了國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)，國家大戰(zhàn)略工程的全面推進(jìn)迫在眉睫。造成這種局面的原因是多方面的，其中未能充分考慮重載裝置運動副的摩擦特殊性對機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)的影響是造成巨型重載操作裝備設(shè)計水平低、設(shè)備性能落后的重要原因之一。摩擦廣泛存在于工程實際中。在輕型機(jī)械中，摩擦對輕載機(jī)械系統(tǒng)的動力特性不會產(chǎn)生很大的影響，但是巨型、重載和高速是現(xiàn)代機(jī)

7、械的一個重要標(biāo)志和發(fā)展方向，隨著運動速度和精度的提高，運動副之間的摩擦不容忽視。而巨型重載裝置運動副的摩擦特殊性更主要體現(xiàn)在：在巨型重載裝置的傳動過程中，兩構(gòu)間之間傳遞的力非常大，并且力的方向在短時間內(nèi)急劇變化，造成兩構(gòu)件相互接觸的表面之間的摩擦力很大以及摩擦力方向不確定。在對巨型重載裝置進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析時，如果仍舊按照以前常用的分析方法，例如采用牛頓-歐拉（newton-euler）法3-7、拉格朗日（lagrange）8-10、虛功原理法3,11-13、凱恩（kane）法14、旋量法14，15等建立動力學(xué)模型，或者采用經(jīng)典的庫倫摩擦力模型，僅僅是考慮摩擦力與摩擦圓相切的情況（即動摩擦

8、狀態(tài)），或者采用metrikin v.s.等所提到的用一種對庫倫靜摩擦已經(jīng)改進(jìn)了的模型16，或者采用jon juel thomsen 和alexader fidin用解析近似法對速度依賴動摩擦模型求解17，忽略或簡化摩擦力對巨型重載系統(tǒng)動力學(xué)的影響、響應(yīng)順應(yīng)性的影響、響應(yīng)靈敏度的影響，是不可能得到精確的結(jié)果，不能滿足精確控制巨型重載裝置的要求，并且對以后更加深入的研究和發(fā)展巨型重載裝置的設(shè)計以及制造形成難以逾越的屏障。近年來，隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的不斷發(fā)展，一些現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，如李群、李代數(shù)、微分流形和黎曼流形等開始應(yīng)用于動力學(xué)建模和控制以研究系統(tǒng)的動力特性18-20。spong使用hamilton

9、原理和黎曼幾何等工具揭示了機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)的幾個特性21，研究得出機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)簡化模型存在的幾個特性，研究得出機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)簡化模型存在的條件，對于指導(dǎo)機(jī)械系統(tǒng)控制和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計大有用處。liu等基于李群和李代數(shù)的基本理論22，利用newton-euler和lagrange形式給出了一種通用的坐標(biāo)不變的剛體動力學(xué)建模數(shù)學(xué)框架，表明機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模和控制可以采用統(tǒng)一的幾何框架。目前利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)進(jìn)行動力學(xué)的研究的人已經(jīng)比較多，但確少有學(xué)者利用物理方法研究機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)。運動副的摩擦特性對重載機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)的影響，目前在國內(nèi)外研究的很少。并且重載機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)因其自身的特殊性：構(gòu)件體積大，重量大，

10、構(gòu)件之間傳遞力大，大量的研究有待開展。如在動力學(xué)建模方面，要研究建立與所有構(gòu)件及關(guān)節(jié)的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、慣性力（矩）、連接方式、摩擦、阻尼和結(jié)構(gòu)尺寸等諸多因素有關(guān)的精細(xì)模型，使其分析計算結(jié)果精度更高、更接近真值；在對精細(xì)模型定量分析研究的基礎(chǔ)上，要考慮建立滿足精度及控制要求的簡化模型，追求最快求解速度；開展系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的研究以指導(dǎo)動力學(xué)控制；研究并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)振動、平衡等問題以保證系統(tǒng)良好的動態(tài)性能23，24；研究考慮構(gòu)件的彈性、運動副間隙、制造及安裝誤差等因素影響的系統(tǒng)高等動力學(xué)分析問題。總之，該方面的研究前景十分廣闊，其難度也是不言而喻的。為了考慮運動副的摩擦對重載裝置系統(tǒng)的影響，我們以壓

11、桿式重載夾持裝置為分析對象，首次提出了反作用力響應(yīng)盲區(qū)的概念25-28，并且將這個概念推廣到所有重載機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用這個理論可以把運動副的動摩擦和靜摩擦都考慮在內(nèi)以更準(zhǔn)確的方法對重載裝置系統(tǒng)動力學(xué)進(jìn)行更深入的研究。1.2 反作用力響應(yīng)盲區(qū)概念通過對壓桿式重載夾持裝置工作過程分析可知，夾鉗抬起前，重載夾持裝置處于夾持預(yù)緊狀態(tài)，推力為驅(qū)動力，傳遞至鉗口作用鍛件的力為夾持預(yù)緊力（如圖1所示）；當(dāng)夾鉗抬起時，夾持預(yù)緊狀態(tài)變?yōu)閵A持工作狀態(tài)，鉗口對鍛件的夾緊力為驅(qū)動力，推力為阻力，重載夾持裝置具備反向微動趨勢，各運動副反力的方向也隨之發(fā)生改變，從開始的與摩擦圓一側(cè)相切，經(jīng)與摩擦圓相割，再逐步過渡到與摩擦

12、圓的另一側(cè)相切（如圖2所示）。當(dāng)夾緊力大于某一值時，重載夾持裝置產(chǎn)生反向運動，導(dǎo)致夾持失效。 圖1 重載夾持裝置夾持預(yù)緊狀態(tài) 圖2 重載夾持裝置夾持工作狀態(tài)為了分析力流的傳遞規(guī)律，把重載夾持裝置的力學(xué)模型進(jìn)行簡化，如圖3和圖4所示。 圖3 預(yù)緊夾緊時的簡化力學(xué)模型 圖4 工作夾緊時的簡化力學(xué)模型由圖3和圖4的力學(xué)模型可知，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于預(yù)緊夾持時，輸入為推力，輸出為預(yù)緊夾持力；當(dāng)機(jī)構(gòu)處于工作夾持時，輸入為所需工作夾持力，輸出為推力。當(dāng)輸入的所需工作夾持力為臨界夾持力時，即反向微動時，由機(jī)械效率公式推導(dǎo)夾持機(jī)構(gòu)預(yù)緊夾持力和臨界夾持力的變化關(guān)系得： (1)因，當(dāng)機(jī)構(gòu)未發(fā)生反向微動時，則： (2) (3

13、)由公式（3）表明，在推力不變的情況下，機(jī)構(gòu)的夾緊力可以在到之間變化，即機(jī)構(gòu)工作張力在到之間時，不會反映到推桿上。設(shè)： (4)稱為夾持機(jī)構(gòu)的反作用力響應(yīng)盲區(qū)。設(shè)反作用力響應(yīng)盲區(qū)大小的盲區(qū)特性系數(shù)為: (5)反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性系數(shù)，是提高夾持裝置承載能力的重要參數(shù)12。1.3、各運動副反力的不確定性和經(jīng)典剛體動力學(xué)模型的不完備性如圖5所示，壓桿式夾鉗裝置的機(jī)構(gòu)簡圖：圖5 壓桿式夾持裝置機(jī)構(gòu)簡圖利用關(guān)聯(lián)約束法29列出在考慮運動副摩擦?xí)r構(gòu)件i動力學(xué)運動方程如下： (6)其中，、分別為第i-1構(gòu)件作用在第i構(gòu)件的力和力矩，、分別為第i+1構(gòu)件作用在第i構(gòu)件上的力和力矩； 是構(gòu)件i的加速度；是連接構(gòu)件

14、i-1和構(gòu)件i的運動副摩擦力矩，為該運動副約束反力到鉸鏈中心的距離；是連接構(gòu)件i和構(gòu)件i+1的運動副摩擦力矩，為該運動副約束反力到鉸鏈中心的距離。 其計及運動副摩擦?xí)r的動力學(xué)運動方程一般形式為： (7) 其中為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)矩陣，為系統(tǒng)的位置約束方程， 為拉格朗日乘子，為系統(tǒng)的廣義力矩陣。 ，（i=1,2,k； l=1,2,m ； j=1,2,n), 和分別為第i個構(gòu)件上受到的力和力矩，為第l個移動副摩擦力，為第j個轉(zhuǎn)動副摩擦力矩，各個力可由動態(tài)靜力法求得。公式式（6）、（7）是夾持裝置夾鉗開合、抬升、旋轉(zhuǎn)等各種工況的通用方程，對于壓桿式重載夾持裝置系統(tǒng)可列出67個獨立平衡方

15、程，如果將夾鉗裝置推廣到由k個構(gòu)件n個運動副組成的機(jī)械系統(tǒng)，可以得到6k個獨立的平衡方程，則第l個移動副摩擦力，為移動副約束反力，為移動副力與法線所夾銳角；第j個轉(zhuǎn)動副摩擦力矩，為轉(zhuǎn)動副約束反力到鉸鏈中心的距離，為轉(zhuǎn)動副約束反力。當(dāng)系統(tǒng)所有運動副的反力與摩擦錐或摩擦圓相切時，為第l個移動副的摩擦角；，為第j個轉(zhuǎn)動副的摩擦圓半徑。未知量只包括各運動副約束反力和未知主動力，未知量數(shù)等于動態(tài)靜力學(xué)方程維數(shù)，系統(tǒng)是靜定的。此情況極為特殊，不做一般性的討論。更多的情況是：系統(tǒng)部分的運動副反力與摩擦錐或摩擦圓相切，而部分的運動副處于反作用響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)，單獨分析這部分的運動副，由于，、均為未知，由此，系統(tǒng)引入

16、了m+n個多余的未知數(shù)和，使得系統(tǒng)變成超靜定，即各運動副反力的大小、位置、方向不能確定，而傳統(tǒng)的計算方法往往以臨界狀態(tài)來計算，即反力的方向與摩擦圓或摩擦錐相切，情況特定，計算結(jié)果大都為近似值。因此必須對各運動副的接觸摩擦狀態(tài)進(jìn)行判斷，增加m+n個摩擦約束方程，使系統(tǒng)靜定，方程（6）（7）有解。1.4 、研究意義（1）、全面提高重載機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型的真實性及仿真精度動力學(xué)模型的建立是機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)模擬、動態(tài)分析、動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計及控制的基礎(chǔ)。在建立機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型時，考慮的因素是否全面，建立的模型是否完整，直接關(guān)系到機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析和控制的精確度，進(jìn)而影響到重載裝置的品質(zhì)、性能等。重載機(jī)

17、械系統(tǒng)在變換工況或受到?jīng)_擊載荷時，就會產(chǎn)生反復(fù)振動，主動被動關(guān)系不斷改變，在力流的傳遞過程中，隨著沖擊載荷的不斷變化勢必導(dǎo)致運動副反力反復(fù)通過反作用力響應(yīng)盲區(qū)。而以往的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型是建立在反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響為零的基礎(chǔ)上的，經(jīng)典機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型是不完整的，所得到的解也是不準(zhǔn)確的，這在我們以往的仿真與實驗對比分析得到驗證。如：我們應(yīng)用adams軟件對重載夾持裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真時發(fā)現(xiàn)：當(dāng)夾持鍛件所需的夾緊力處于反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)時，裝置各運動副反力的方向存在無規(guī)律的跳躍現(xiàn)象，所得出的結(jié)果與實測結(jié)果相差也較大，這表明經(jīng)典剛?cè)狍w動力學(xué)模型存在考慮因素不全面的缺陷。由此可見，建立反作用力響應(yīng)盲區(qū)

18、內(nèi)的動力學(xué)模型及反作用力響應(yīng)盲區(qū)對重載機(jī)械系統(tǒng)動力特性的影響是非常必要的。（2）、為研究重載裝置的復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)精細(xì)控制策略提供基礎(chǔ)現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電控制與系統(tǒng)動力學(xué)的融合是機(jī)電控制的發(fā)展趨勢，liu27等基于李群和李代數(shù)的基本理論，利用newton-euler和lagrange形式給出了一種通用的坐標(biāo)不變的剛體動力學(xué)建模數(shù)學(xué)框架，表明復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)建模與控制可以采用統(tǒng)一的幾何框架，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行主動控制。但是，主動控制對系統(tǒng)動力學(xué)模型的的精確度要求很高，而經(jīng)典剛?cè)狍w動力學(xué)模型存在考慮因素不全面的缺陷。因此，建立完整的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型是復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)的精細(xì)控制不可或

19、缺的基礎(chǔ)。（3）、為發(fā)展和優(yōu)化我國巨型重載裝置的設(shè)計以及制造提供理論指導(dǎo)由于重載機(jī)械系統(tǒng)存在著復(fù)雜的摩擦關(guān)系，現(xiàn)有研究為避開模型計算等方面的困難，對真實力學(xué)系統(tǒng)中的摩擦轉(zhuǎn)化進(jìn)行了大量的簡化，簡化的結(jié)果往往造成了許多重要動力學(xué)特性信息的丟失，使現(xiàn)有的研究結(jié)論與工程應(yīng)用存在較大差距。因此，從考慮反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性的角度分析重載裝置完備剛?cè)狍w動力學(xué)系統(tǒng)，研究反作用力響應(yīng)盲區(qū)對重載夾持裝置夾持穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探討反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性對重載裝置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供有力的理論支持，從而進(jìn)一步提高我國巨型重載機(jī)械的設(shè)計制造水平。參考文獻(xiàn)：1 梁音，趙緒平，王馳，“大型鍛造操作機(jī)研究進(jìn)展”，科技成果縱橫，2

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31、動副反力動態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性及不確定性研究在國家973項目的子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動策略”研究成果的基礎(chǔ)之上，研究各運動副反力動態(tài)響應(yīng)時間、順序及順應(yīng)性，分析機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)反向微動時主動力和從動阻力變換規(guī)律，找出重載裝置不同工況和工位下各運動副反力不確定的原因。（2）、各運動副反力摩擦狀態(tài)的變化規(guī)律及摩擦約束條件研究在分析運動副反力不確定的基礎(chǔ)上，對重載夾持裝置各運動副的接觸摩擦狀態(tài)進(jìn)行判斷，找到運動副反力的確定條件和機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定條件，建立摩擦約束方程，與經(jīng)典動力學(xué)方程組成考慮反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性的完整剛?cè)狍w動力學(xué)模型。（3）、重載裝置優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型研究根據(jù)重載機(jī)械系統(tǒng)

32、動態(tài)穩(wěn)定條件及摩擦約束條件，得出重載裝置整體的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一動力學(xué)方程，分析其力封閉性和承載能力 ，建立拓?fù)渫瑯?gòu)及變元優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。（4）、新的重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)模型的推廣應(yīng)用將新的重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)模型首先推廣應(yīng)用到重載夾持裝置、型材軋機(jī)、采掘機(jī)械的動態(tài)特性分析與研究中，以便檢驗并修正新模型，提高重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)模型的仿真精度。2.2、研究目標(biāo)本項目以國家973項目的子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動策略”為研究背景，以巨型重載夾持裝置中的反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性為基本著眼點，分析機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)反向微動時主動力和從動阻力變換規(guī)律，建立摩擦約束方程和完整剛?cè)狍w動力學(xué)模型，

33、并分析重載裝置的力封閉性和承載能力，提出拓?fù)渫瑯?gòu)及變元優(yōu)化設(shè)計方法、完善巨型重載裝置的設(shè)計與優(yōu)化理論。在學(xué)術(shù)上，本研究運用反作用力響應(yīng)盲區(qū)這個全新的概念研究系統(tǒng)動力學(xué)模型的完整性,期望建立新的機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的完整動力學(xué)理論體系。2.3、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題（1）、反作用力響應(yīng)盲區(qū)理論體系構(gòu)建反作用力響應(yīng)盲區(qū)對重載裝置的承載能力的提高有顯著的作用，但同時又降低了自動控制精度，加大自動控制的難度。在放大盲區(qū)的有利性和減小盲區(qū)的有害性方面上取得突破，完善反作用力響應(yīng)盲區(qū)理論體系。（2）、基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)的重載裝置完整動力學(xué)模型的建立（3）、重載裝置拓?fù)渫瑯?gòu)及變元優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型建立 3采取的

34、研究方案及可行性分析（包括有關(guān)方法、技術(shù)路線、實驗手段、關(guān)鍵技術(shù)等說明）3.1研究方法（1）運動副反力動態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性及不確定的研究方法 用adams軟件對重載夾持裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真，模擬計算出夾持裝置在不同工況和工位下各鉸鏈的運動副反力變化情況，找出各運動副反力的方向出現(xiàn)無規(guī)律跳躍的位置和時段，分析經(jīng)典剛?cè)狍w動力學(xué)模型存在缺陷。 通過運動副反力測定實驗，測量重載夾持裝置不同工況和工位下各運動副反力確定時的響應(yīng)時間和順序，分析不確定的原因。 對比試驗結(jié)果與仿真結(jié)果，綜合應(yīng)用經(jīng)典的庫倫摩擦力模型、newton-euler法、關(guān)聯(lián)約束法等理論工具，研究各運動副反力動態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性，找出運動副反力動

35、態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性與確定的條件。（2）重載裝置完備剛?cè)狍w動力學(xué)建模的研究方法在分析運動副反力不確定的基礎(chǔ)上，對重載夾持裝置各運動副的接觸摩擦狀態(tài)進(jìn)行判斷，用接觸力學(xué)和旋量理論分析機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，找到運動副反力的確定條件和機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定條件，建立摩擦約束方程，從而與經(jīng)典動力學(xué)方程組成考慮反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性的完整剛?cè)狍w動力學(xué)模型。（3）重載裝置優(yōu)化設(shè)計的研究方法以重載夾持裝置為研究對象，分析反作用力響應(yīng)盲區(qū)對重載機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定條件及摩擦約束條件（即力封閉性能）的影響，通過拓?fù)鋱D同構(gòu)變元方法，降低重載裝置整體轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的自由度，改善力封閉性能。采用拓?fù)溧徑泳仃嚱⒅剌d裝置整體轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一力學(xué)方程

36、，并分析其力封閉性和承載能力。3.2 技術(shù)路線3.3 可行性分析（1）本項目提出的研究內(nèi)容以已完成的國家973項目子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動策略”為研究基礎(chǔ)，通過研究反作用力響應(yīng)盲區(qū)對重載夾持裝置夾持穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為重載夾持裝置的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)參考和理論依據(jù)，具有較高的工程意義和現(xiàn)實意義。（2）本項目依托中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院鍛壓裝備與成形實驗室開展研究，具有豐富的軟硬件資源，擁有ansys，labview，matlab,ms公司數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備，擁有鍛造夾持操作實驗系統(tǒng)、夾持器與接觸力檢測實驗臺、運動副反力測定實驗臺以及重載夾持操作系統(tǒng)性能評估數(shù)字仿真

37、平臺，能夠滿足本課題所要求的綜合實驗條件。綜上所述，本項目立足工程實際，具有堅實的理論基礎(chǔ)，以近幾年所取得的研究成果為指導(dǎo)開展研究，課題依托教育部重點實驗室，硬件資源能夠滿足本課題的要求，項目組成員具有豐富的理論和實踐工作經(jīng)驗，因此本項目是可行的。4 本項目的特色與創(chuàng)新之處（1）、首次運用反作用力響應(yīng)盲區(qū)這個全新的概念研究系統(tǒng)動力學(xué)模型的完整性。（2）、通過旋量理論和接觸力學(xué)描述機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，建立各運動副反力確定條件。（3）、建立集剛?cè)狍w動力學(xué)與接觸力學(xué)于一體的機(jī)械系統(tǒng)完整動力學(xué)模型。5 年度研究計劃及預(yù)期研究成果（發(fā)表論文、申請專利等）1）年度研究計劃（1）、2011.62012.3

38、進(jìn)一步調(diào)研，詳細(xì)制定研究計劃；設(shè)計運動副反力測定實驗方案及實驗臺。通過實驗觀測和理論研究初步分析在反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)各運動副反力響應(yīng)的順應(yīng)性和產(chǎn)生不確定的原因。用接觸力學(xué)和旋量理論描述機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，建立運動副反力的確定條件，完成新的重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)模。（2）、2012.32013.5 將新的重載裝置剛?cè)狍w動力學(xué)模型首先推廣應(yīng)用到重載夾持裝置、型材軋機(jī)、采掘機(jī)械的動態(tài)特性分析與研究中。admes編寫新的動力學(xué)仿真軟件，進(jìn)行仿真與實驗對比，檢驗新的動力學(xué)模型的真實性。2）預(yù)期研究結(jié)果（1）、找出運動副反力在機(jī)械系統(tǒng)運動過程中的變換規(guī)律，研究其順應(yīng)性和不確定性，建立在考慮運動副摩擦情況下的

39、集剛體動力學(xué)與接觸力學(xué)于一體的機(jī)械系統(tǒng)完備動力學(xué)模型，研究一種新的解決動力學(xué)方程奇異性的數(shù)值解法。（二） 研究基礎(chǔ)與工作條件1 工作基礎(chǔ)（相關(guān)的研究積累，已取得的相關(guān)學(xué)術(shù)成果）項目組成員跟隨機(jī)械工程研究生參加了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目“巨型重載操作裝備的基礎(chǔ)學(xué)科問題”（項目編號：2006cb705400）中的子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動策略”（ 項目編號：2006cb705402）的基礎(chǔ)研究工作，并且對于機(jī)構(gòu)學(xué)，動力學(xué)及adams等的熟練應(yīng)用都可以本課題提供幫助。另外項目組成員及課題老師在重載夾持裝置夾持穩(wěn)定性設(shè)計方面擁有較為豐富的理論研究和實踐工作經(jīng)驗。2 工作條件（包括已具備的實驗條件，尚缺少的實驗條件和擬解決的途徑，包括利用國家實驗室、國家重點實驗室和部門重點實驗室等研究基地的計劃與落實情況）機(jī)電工程學(xué)院是一所進(jìn)行現(xiàn)代機(jī)電工程及相關(guān)學(xué)科的科學(xué)技術(shù)研究和人才培養(yǎng)的綜合機(jī)構(gòu)，學(xué)院擁有機(jī)械設(shè)計及理論和機(jī)械設(shè)計制造及其自動化兩個國家級重點學(xué)科。學(xué)院的鍛壓裝備與成形實驗室可以為本項目的研究提供鍛造夾持操作實驗系統(tǒng)、夾持器與接觸力檢測實驗臺、運動副反力測定實驗臺以及重載夾持操作系統(tǒng)性能評估數(shù)字仿真平臺。實驗室簡介：1）、鍛造夾持操作實驗系統(tǒng)自行研制鍛造夾持操作實