海洋采矿机械行业手设计与有限元计算

HYＰEＲLIＮＫ＂htｔp：//shu．cn／”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.Ｉtmiｓｉngbentｈａlmｉｎerａlreｓoｕrcｅｗhoｓesｈａｐeｉｓluｍpoｒsofｔｍｕd,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ﻪ

摘要ﻪﻪ4—5ﻪ

ﻪﻪＡbｓｔractﻪ

5

ﻪﻪﻪ

第1章绪论

ﻪ9—18ﻪ

ﻪﻪ1。1引言

ﻪ9ﻪ

1.2深海热液硫化物的研究现状ﻪﻪ9—11

ﻪﻪ

ﻪ1.2。１热液硫化物开采价值分析ﻪ

１0ﻪ

ﻪﻪ

１。2。2热液硫化物国内外研究现状

１0-１1

ﻪ

ﻪ

１．３机械手的基本组成及分类ﻪ

１１－1３ﻪﻪ

ﻪ１。3。1机械手结构组成部分

ﻪ11－１2

ﻪﻪ

1。3.2机械手的分类ﻪ

12—１3

ﻪ

ﻪﻪ1.4机械手研究进展ﻪ

13－１５ﻪ

ﻪﻪ1。5计算机仿真技术简介ﻪ

15—16ﻪ

ﻪ

1。6机械手运动学、动力学研究概况ﻪ

1６ﻪ

ﻪ

ﻪ１.７本文研究主要内容ﻪﻪ16－18ﻪﻪ

ﻪﻪ第2章机械手连杆运动学理论ﻪﻪ1８—26ﻪﻪﻪﻪ

2。１引言

ﻪ18

ﻪ

ﻪﻪ２.2连杆位姿矩阵及坐标一般变换

18—2２

ﻪ

ﻪ2。2．1位姿的直角坐标表示ﻪ

１8-１9ﻪﻪﻪ

ﻪ2.２.２位姿的欧拉角表示ﻪ

19-21ﻪ

ﻪ

2。2.3一般旋转变换ﻪﻪ2１-22ﻪ

ﻪ

ﻪ２。3连杆运动学D-Ｈ法ﻪﻪ22－25

ﻪ

2.3．１连杆运动学的参数描述

22—23ﻪ

ﻪ

2.3。2连杆坐标系转换ﻪ

２３－25ﻪ

ﻪ本章小结ﻪ

25-26

第3章机械手连杆动力学分析理论

ﻪ26—31

ﻪﻪﻪ3．1引言

２6

ﻪ

ﻪ3。2拉格朗日—欧拉动力学方程

２6—2７

ﻪﻪ

ﻪ3．3连杆机构动能

2７-２９ﻪﻪﻪﻪ

3．4连杆机构势能ﻪﻪ29

ﻪ

ﻪ

3。5连杆机构动力学方程的建立ﻪﻪ29—30ﻪﻪﻪﻪﻪ本章小结

30—31ﻪﻪ

第4章机械手结构设计

31—49ﻪ

ﻪ4。1引言ﻪ

31ﻪ

ﻪﻪﻪ4.2机械手设计原理方案ﻪﻪ３1-3４ﻪﻪ

ﻪ４．2。1机械手功能分析

ﻪ3２

ﻪ

ﻪ４。2．2机械手设计方案组合

ﻪ32—34ﻪ

ﻪ

4.3机械手的设计过程与机械手结构

34—３6ﻪﻪ

ﻪﻪ4．３。１机械手设计过程ﻪﻪ３4-35ﻪ

ﻪﻪ

４。３。2机械手结构组成与原理机制ﻪ

35-36ﻪ

ﻪ

4.4机械手零部件三维建模及装配

36—39

ﻪﻪ

4.４。1机械手零部件建模ﻪ

36—３7

ﻪﻪﻪ

4.4。2机械手零部件装配ﻪ

37－38

ﻪﻪﻪ4.4．3机械手连杆结构分析

ﻪ38—３9

ﻪﻪﻪ4.5机械手材料和质量属性ﻪ

3９-48ﻪﻪﻪ

ﻪ4.5.1机械手零部件材料ﻪ

３9

ﻪﻪﻪ４。5。2机械手零部件质量特性

39—48ﻪﻪﻪ

本章小结

ﻪ48—49

ﻪﻪﻪﻪ第5章机械手强度校核ﻪ

49—58ﻪﻪ

ﻪ5．1引言ﻪﻪ49ﻪﻪﻪ

5。2有限元分析基本理论ﻪ

49—51ﻪﻪﻪ

５。2.1弹性力学基本理论

ﻪ49-50

ﻪﻪﻪﻪ5．2．2有限元分析基本思想ﻪ

50－51ﻪﻪﻪﻪ

5．３机械手的强度校核

51-57ﻪ

ﻪ

５。3。１米塞斯强度理论

51－５2

ﻪ5.３．2有限元软件ＡNSＹSWｏrｋbench基本介绍ﻪﻪ52

ﻪﻪ

ﻪ5.3.３机械手有限元模型的建立

ﻪ52-55

ﻪﻪ

5.3.4有限元计算结果分析ﻪﻪ55－５7

ﻪ

ﻪ本章小结

ﻪ５7—58ﻪﻪﻪﻪ

第6章机械手动力学仿真分析

ﻪ58—７２ﻪﻪﻪﻪﻪ6。1引言ﻪﻪ58

ﻪﻪ

6.2ＳolidＷorks仿真软件简介ﻪﻪ５８－60

ﻪ

ﻪﻪ6．2.1ＳolidWorｋｓ简介

ﻪ5８-5９ﻪﻪ

ﻪ6．2。2ＳolidWorkｓ软件特点ﻪ

59

ﻪ6.2．3运动分析插件ＣＯＳＭOSMotion分析理论ﻪﻪ5９-6０ﻪ

ﻪ

6.3机械手的静力学接触仿真

ﻪ60—65ﻪ

６.3.1机