海洋采矿机械手设计与有限元计算

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】With the increasing of the population,the mankind face the situation of the resource decreased day by day,and the decreace of the inland resource make people divert the target where to exploit the resource to the space and ocean.The ocean covers an area of 71% on the earth,and the exploiting potential is inestimable.So it is simply a cornucopia in which the sorts of mineral resources are marvelous. It contains a lot of polymetallic nodules and sulphides,which is important to the development of the mankind.In recent years,the scientists discovered such a mineral resources called “Hydrothennal sulfide” which is much worth to be exploited at the bottom of the ocean.It is a promising benthal mineral resource whose shape is lump or soft mud,and the quantity is quite tremendous. But it is urgent to manufacture a mining tool with good performance for the exploitation of it,and the manipulator researched in this context is such a trail tool used to exploit the mineral.This paper will focus on research of the virtual prototype of the trail manipulator based on the research of the ocean exploitation project”visual capturing net for Hydrothennal sulfide in deep sea” which is directed by professor Jinxing of Central-South Research Institute of Mining and Metallugy.The main contents are as follows:firstly gave the analysis of coordinate transformation of space vector in linkage kinematics mathematical theory,and deduced the dynamics equation-Lagrange dynamics equation;Secondly analyzed the structure designing method for manipulator, and modeled and assembled the parts of the manipulator in the SolidWorks soft;moreover,gave a simple analysis of the structure;Thirdly builded the finite element model by the finite element soft Workbench,and check the strength of manipulator by the mises yield strength theory in the extreme work situation of fixing the hands;At last,simulated the rigid-body static and motion of the manipulator by the COSMOSMotion soft,and analysis the kinematic quantities,besides,researched the gravity influence on the motion.【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】manipulator kinematics dynamics finite element strenght checking simulation【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ANSYS Workbench 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586.2 SolidWorks 仿真软件简介58-606.2.1 SolidWorks 简介58-596.2.2 SolidWorks 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