《多环路机构拓扑结构的综合理论》

该项目属于机械工程科学技术领域。机构是机械装备的“骨架”,其设计水平决定了装备的根本性能。机构的拓扑结构综合能产生大量的机构结构方案,是机构创新的源泉和关键。然而,对于结构复杂、结构多样和耦合性高的多环路机构的拓扑结构综合一直是国际机构学研究的难点。为此,该项目在解决制约机构拓扑结构综合的同构判别和自由度分析两大关键问题的基础上,建立了系统的多环路机构拓扑结构的综合理论。主要创新性工作有:

(1)创建了多环路运动链拓扑图的环路代数理论,并基于此提出了一种准确高效的运动链同构判别新方法,为机构拓扑结构综合的数字化和自动化建立了基础;

(2)基于螺旋互易性原理建立了普遍适用的机构自由度分析理论和公式,解决了一般机构与“反常机构”自由度统一分析问题,为机构拓扑结构的综合建立了理论基础;

(3)建立了系统的多环路机构拓扑结构的自动综合理论,并建立了完全消除同构和刚性子链的运动链拓扑结构的完整分类图谱库,为机械装备的机构创新由灵感经验到系统方法的转变建立了重要基础。

8篇代表性论著总他引181次,SCI他引155次。在该项目研究期间,获IFToMM(国际机构学与机器科学联合会)卓越成就奖1名(成为该奖项自2000年颁发以来的第五位获奖者,也是首位华人获奖者),德国“洪堡学者”1名,国家优秀青年基金1名,获全国百篇优博提名论文1篇,担任机构学领域顶级期刊Mechanism and Machine Theory(MMT)副主编1人。研究成果被IFToMM主席Ceccarelli教授(ASME Fellow)、ASME-JMD主编McCarthy教授(ASME Fellow)、MMT副主编台湾颜鸿森教授(ASME Fellow)等学者评价为“环路分析的原创性理论”、“计算复杂性要低于至今被公认为最快的McKay法”、“同时满足有效、自动和用户友好的综合方法”、“能够完全消除结构综合过程中的同构、退化和刚性子链”、“首次综合出所有高达19个构件和14个自由度”、“建立了完整图谱库”、“解决了自Chebyshev、Grubler和Kutzbach以来困惑机构学界百余年的疑难问题”等。该项目获9项国家自然科学基金的资助(含国家优秀青年基金1项),发表SCI论文34篇(其中在机构学顶级期刊Mechanism and Machine Theory,ASME Journal of Mechanical Design和ASME Journal of Mechanisms and Robotics有19篇),出版专著2部。应用课题组的方法创新设计出了并联机器人、锻造操作机、自动变速器、正铲液压挖掘机等多种机械装备的性能优良新机型。

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