机械手论文：海洋采矿机械手设计及有限元计算

机械手论文：海洋采矿机械手设计及有限元计算【中文摘要】随着人口的增长,人类社会面临着资源日益锐减的局面,开发和寻求的新的资源成为了人类生存发展的趋势,陆地资源的减少使人们把资源的开发利用的目标转向了太空和海洋。海洋面积占地球面积的71%,其开发利用的潜能不可估量。可以说海洋简直就是一个聚宝盆,其中矿产资源的种类就令人惊叹。在深海地区,蕴藏着多金属结核矿和硫化矿,这些矿产又是人类生存发展的重要资源。近年来科学家们在大洋底发现了这样一种极具开采价值的矿产资源“热液硫化物”,它是一种块状或者软泥状的海底矿藏,数量相当巨大,是一种极有开发前途的大洋矿产资源。对于这样一种矿藏的开采,急待研制性能良好的开采工具,本文研究的机械手就是这样一种试制的进行海洋矿产开采的工具。本文是在中南矿冶研究院金星教授的海洋开发项目《深海热液硫化物可视抓网》研究基础上,主要对其开发试制的机械手进行虚拟样机的研究,主要内容包括:对连杆运动学数学理论空间向量的坐标转换进行了分析,对连杆动力学方程—拉格朗日动力学方程进行了推导;分析了机械手结构设计方法并对机械手的零部件在SolidWorks中进行了建模及其装配,而且对机械手的结构进行了分析;运用有限元软件Workbench建立了机械手的有限元模型,运用米塞斯强度屈服理论,针对机械手固定爪臂的极端工况下的强度校核;运用COSMOSMotion动力学分析软件对机械手进行了刚体静力学及动力学的仿真,对机械手的运动学物理量进行了分析,并研究了重力对机械手运动的影响。【英文摘要】Withtheincreasingofthepopulation,themankindfacethesituationoftheresourcedecreaseddaybyday,andthedecreaceoftheinlandresourcemakepeopledivertthetargetwheretoexploittheresourcetothespaceandocean.Theoceancoversanareaof71%ontheearth,andtheexploitingpotentialisinestimable.Soitissimplyacornucopiainwhichthesortsofmineralresourcesaremarvelous.Itcontainsalotofpolymetallicnodulesandsulphides,whichisimportanttothedevelopmentofthemankind.Inrecentyears,thescientistsdiscoveredsuchamineralresourcescalled“Hydrothennalsulfide”whichismuchworthtobeexploitedatthebottomoftheocean.Itisapromisingbenthalmineralresourcewhoseshapeislumporsoftmud,andthequantityisquitetremendous.Butitisurgenttomanufactureaminingtoolwithgoodperformancefortheexploitationofit,andthemanipulatorresearchedinthiscontextissuchatrailtoolusedtoexploitthemineral.Thispaperwillfocusonresearchofthevirtualprototypeofthetrailmanipulatorbasedontheresearchoftheoceanexploitationproject”visualcapturingnetforHydrothennalsulfideindeepsea”whichisdirectedbyprofessorJinxingofCentral-SouthResearchInstituteofMiningandMetallugy.Themaincontentsareasfollows:firstlygavetheanalysisofcoordinatetransformationofspacevectorinlinkagekinematicsmathematicaltheory,anddeducedthedynamicsequation-Lagrangedynamicsequation;Secondlyanalyzedthestructuredesigningmethodformanipulator,andmodeledandassembledthepartsofthemanipulatorintheSolidWorkssoft;moreover,gaveasimpleanalysisofthestructure;ThirdlybuildedthefiniteelementmodelbythefiniteelementsoftWorkbench,andcheckthestrengthofmanipulatorbythemisesyieldstrengththeoryintheextremeworksituationoffixingthehands;Atlast,simulatedtherigid-bodystaticandmotionofthemanipulatorbytheCOSMOSMotionsoft,andanalysisthekinematicquantities,besides,researchedthegravityinfluenceonthemotion.【关键词】机械手运动学动力学有限元强度校核仿真【英文关键词】manipulatorkinematicsdynamicsfiniteelementstrenghtcheckingsimulation【目录】海洋采矿机械手设计及有限元计算摘要4-5Abstract5第1章绪论9-181.1引言91.2深海热液硫化物的研究现状9-111.2.1热液硫化物开采价值分析101.2.2热液硫化物国内外研究现状10-111.3机械手的基本组成及分类11-131.3.1机械手结构组成部分11-121.3.2机械手的分类12-131.4机械手研究进展13-151.5计算机仿真技术简介15-161.6机械手运动学、动力学研究概况161.7本文研究主要内容16-18第2章机械手连杆运动学理论18-262.1引言182.2连杆位姿矩阵及坐标一般变换18-222.2.1位姿的直角坐标表示18-192.2.2位姿的欧拉角表示19-212.2.3一般旋转变换21-222.3连杆运动学D-H法22-252.3.1连杆运动学的参数描述22-232.3.2连杆坐标系转换23-25本章小结25-26第3章机械手连杆动力学分析理论26-313.1引言263.2拉格朗日—欧拉动力学方程26-273.3连杆机构动能27-293.4连杆机构势能293.5连杆机构动力学方程的建立29-30本章小结30-31第4章机械手结构设计31-494.1引言314.2机械手设计原理方案31-344.2.1机械手功能分析324.2.2机械手设计方案组合32-344.3机械手的设计过程与机械手结构34-364.3.1机械手设计过程34-354.3.2机械手结构组成与原理机制35-364.4机械手零部件三维建模及装配36-394.4.1机械手零部件建模36-374.4.2机械手零部件装配37-384.4.3机械手连杆结构分析38-394.5机械手材料和质量属性39-484.5.1机械手零部件材料394.5.2机械手零部件质量特性39-48本章小结48-49第5章机械手强度校核49-585.1引言495.2有限元分析基本理论49-515.2.1弹性力学基本理论49-505.2.2有限元分析基本思想50-515.3机械手的强度校核51-575.3.1米塞斯强度理论51-525.3.2有限元软件ANSYSWorkbench基本介绍525.3.3机械手有限元模型的建立52-555.3.4有限元计算结果分析55-57本章小结57-58第6章机械手动力学仿真分析58-726.1引言586.2SolidWorks仿真软件简介58-606.2.1SolidWorks简介58-596.2.2SolidWorks软件特点596.2.3运动分析插件COSMOSMotion分析理论59-606.3机械手的静力学接触仿真60-656.3.1机械手的运动描述60-616.3.2不同开度下机械抓手的计算分析61-656.4机械手的非接触动力学仿真65-716.4.1机械手运动条件设置65-666.4.2运动物理量仿真结果分析66-696.4.3动力学仿真结果分析69-71本章小结71-72总结与展望72-74参考文献74-77致谢77-78攻读学位期间所取得的相关科研成果78