海洋采矿机械手设计及有限元计算

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 引言
• 1.2 深海热液硫化物的研究现状
• 1.2.1 热液硫化物开采价值分析
• 1.2.2 热液硫化物国内外研究现状
• 1.3 机械手的基本组成及分类
• 1.3.1 机械手结构组成部分
• 1.3.2 机械手的分类
• 1.4 机械手研究进展
• 1.5 计算机仿真技术简介
• 1.6 机械手运动学、动力学研究概况
• 1.7 本文研究主要内容
• 第2章 机械手连杆运动学理论
• 2.1 引言
• 2.2 连杆位姿矩阵及坐标一般变换
• 2.2.1 位姿的直角坐标表示
• 2.2.2 位姿的欧拉角表示
• 2.2.3 一般旋转变换
• 2.3 连杆运动学 D-H 法
• 2.3.1 连杆运动学的参数描述
• 2.3.2 连杆坐标系转换
• 本章小结
• 第3章 机械手连杆动力学分析理论
• 3.1 引言
• 3.2 拉格朗日—欧拉动力学方程
• 3.3 连杆机构动能
• 3.4 连杆机构势能
• 3.5 连杆机构动力学方程的建立
• 本章小结
• 第4章 机械手结构设计
• 4.1 引言
• 4.2 机械手设计原理方案
• 4.2.1 机械手功能分析
• 4.2.2 机械手设计方案组合
• 4.3 机械手的设计过程与机械手结构
• 4.3.1 机械手设计过程
• 4.3.2 机械手结构组成与原理机制
• 4.4 机械手零部件三维建模及装配
• 4.4.1 机械手零部件建模
• 4.4.2 机械手零部件装配
• 4.4.3 机械手连杆结构分析
• 4.5 机械手材料和质量属性
• 4.5.1 机械手零部件材料
• 4.5.2 机械手零部件质量特性
• 本章小结
• 第5章 机械手强度校核
• 5.1 引言
• 5.2 有限元分析基本理论
• 5.2.1 弹性力学基本理论
• 5.2.2 有限元分析基本思想
• 5.3 机械手的强度校核
• 5.3.1 米塞斯强度理论
• 5.3.2 有限元软件ANSYS Workbench 基本介绍
• 5.3.3 机械手有限元模型的建立
• 5.3.4 有限元计算结果分析
• 本章小结
• 第6章 机械手动力学仿真分析
• 6.1 引言
• 6.2 SolidWorks 仿真软件简介
• 6.2.1 SolidWorks 简介
• 6.2.2 SolidWorks 软件特点
• 6.2.3 运动分析插件COSMOSMotion 分析理论
• 6.3 机械手的静力学接触仿真
• 6.3.1 机械手的运动描述
• 6.3.2 不同开度下机械抓手的计算分析
• 6.4 机械手的非接触动力学仿真
• 6.4.1 机械手运动条件设置
• 6.4.2 运动物理量仿真结果分析
• 6.4.3 动力学仿真结果分析
• 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果