气缸作为最主要的气动执行元件,在各类工业自动化设备上有着广泛的应用。随着气缸应用工况的多样化以及人们对气缸可靠性的要求不断提高,针对气缸的不同安装方式,对气缸进行动力学研究显得越来越重要。通过对气缸及其驱动机构建立动力学模型,不仅可以得到气缸内部零件的受力情况、气缸的径向运动特性等各种动态参数,还能为气缸的结构优化设计、失效机理以及提高可靠性提供理论指导。基于上述讨论,本文将对气缸关键零部件的结构优化设计方法、摆动动力学以及弯曲振动动力学进行研究。首先,介绍气缸常见的两种安装方式。对固定式气缸进行有限元仿真得到气缸的动力学特性,以此为边界条件对气缸的关键零部件进行结构优化,减小气缸在冲击过程中,活塞所受的应力。基于拉格朗日方程对铰接式气缸及其负载进行动力学建模。在ADAMS中对气动机构进行刚体动力学仿真,与解析结果进行对比验证。对气缸内部接触关系进行简化,求得气缸内部接触力的解析表达式并对接触力的影响因素进行分析。对铰接式气缸在伸出行程末端存在的弯曲振动问题。建立气缸伸出末端时刻的弯曲振动模型,对气缸的固有频率和振型进行求解并通过ANSYS的模态分析进行验证。将气缸伸出末端工况等效为摆动速度激励下两端简支阶梯梁的自由振动问题,求得气缸的径向振动响应。最后,通过仿真建立气动机构的刚柔耦合模型,求得气缸在伸出过程中的应力变化情况。设计和搭建气缸试验平台,对气缸进行了动态信号采集,进一步完善动力学模型。同时将试验结果与解析结果进行对比,验证了气缸动力学解析模型的正确性。本文通过对直线气缸的动力学研究,为同类气缸的优化设计、运动控制、气缸内部接触力以及径向振动研究提供了一定的理论参考和数据依据。