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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (1): 20-30    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.306
机器人与机构设计     
具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构运动学分析
畅博彦1,2(),闫圣杰1,梁栋1,2,关鑫1,韩芳孝1
1.天津工业大学 机械工程学院，天津 300387
2.天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387
Kinematics analysis of scissor deployable mechanism with variable Poisson motion characteristics
Boyan CHANG1,2(),Shengjie YAN1,Dong LIANG1,2,Xin GUAN1,Fangxiao HAN1
1.School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China
2.Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology, Tianjin 300387, China
 全文: PDF(7800 KB)   HTML
摘要：

为提高折展机构的折展率和支撑性能，提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先，提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构，利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响，发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量，且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后，根据泊松比的定义，设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构；基于螺旋理论，通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1，将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后，建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机，进一步验证了机构的变泊松运动特性，这可为后续的研究提供理论基础。
关键词： 三明治结构;  剪叉式折展机构;  螺旋理论;  运动学分析    
Abstract:

In order to improve the folding rate and support performance of deployable mechanisms, a scissor deployable mechanism with variable Poisson motion characteristics is proposed and its kinematics analysis is conducted. Firstly, a thick panel support unit with single-closed-loop was proposed and applied to sandwich structures. Through analyzing the influence of different shape sandwich layers on the support stiffness of sandwich structure by using ANSYS Workbench software, it was found that the sandwich structure with thick plate support unit had better support effect and smaller mass, and the positive and negative Poisson' ratio could be switched by changing the structural design parameters. Secondly, according to the definition of Poisson' ratio, a regular n-sided scissor deployable mechanism with variable Poisson motion characteristics was designed. Based on the screw theory, the screw constraint topology graph of the closed-loop deployable mechanism was drawn to analyze its degree of freedom as 1. The deployable mechanism was divided into three modules, and the principle and process of modular longitudinal expansion were described. Finally, the kinematics model of the m-layer regular n-sided scissor deployable mechanism was established and the prototype of the regular quadrilateral scissor deployable support structure was set up to further verify the variable Poisson motion characteristics of the mechanism, which could provide a theoretical basis for the follw-up research.
Key words: sandwich structure    scissor deployable mechanism    screw theory    kinematics analysis
收稿日期: 2023-10-20 出版日期: 2024-03-04
CLC:  TH 112  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52005368);天津市高等学校创新团队培养计划资助项目(TD13-5037)
作者简介: 畅博彦（1985—），男，山西运城人，副教授，博士生导师，博士，从事机构学和机械系统动力学研究，E-mail: mmts_tjpu@126.com，https://orcid.org/0000-0002-1106-6609
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畅博彦
闫圣杰
梁栋
关鑫
韩芳孝

引用本文:

畅博彦,闫圣杰,梁栋,关鑫,韩芳孝. 具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构运动学分析[J]. 工程设计学报, 2024, 31(1): 20-30.

Boyan CHANG,Shengjie YAN,Dong LIANG,Xin GUAN,Fangxiao HAN. Kinematics analysis of scissor deployable mechanism with variable Poisson motion characteristics[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(1): 20-30.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.306    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I1/20

图1  正 n 边形单闭环折纸模型的折痕分布示意
图2  正四边形单闭环折纸模型
图3  正四边形厚板模型的扩展
图4  常用的夹芯层形状
夹角长度宽度厚度
θ=60°381973
θ=90°5461303
θ=120°7111633
表1  3种新三明治结构的面板设计参数 (mm)
图5  7种三明治结构的变形云图
夹芯层形状应力/Pa变形量/mm夹芯层质量/g
Ⅰ1)1.594 19.473 5×10-5622.406
Ⅱ2)1.610 21.990 2×10-4676.104
Ⅲ3)1.838 65.427 0×10-4640.240
几字形1.380 93.133 0×10-41 316.016
拱形3.406 72.347 8×10-31 322.404
梯形2.149 88.376 0×10-41 342.403
蜂窝形2.836 21.281 0×10-31 806.590
表2  7种三明治结构的最大应力、最大变形量和夹芯层质量
图6  夹角 θ 对正四边形支撑结构泊松比效应的影响
图7  正 n 边形厚板模型的等效机构模型
图8  θ=60°时正四边形剪叉式折展机构的负泊松比效应示意
图9  θ=120°时正四边形剪叉式折展机构的正泊松比效应示意
图10  正四边形剪叉式折展机构横向应变的变化曲线
图11  正四边形剪叉式折展机构及其坐标系
图12  正四边形剪叉式折展机构的旋量约束拓扑图
图13  m 层正四边形剪叉式折展机构
图14  3层正四边形剪叉式折展机构的运动过程
图15  3层正四边形剪叉式折展机构中转动副 D32 处的运动规律
图16  正 n 边形剪叉式折展机构泊松运动特性系数的变化曲线
图17  正四边形支撑结构样机研制
图18  正四边形剪叉式折展支撑结构样机研制
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