النموذج الحركي وأبحاث الأداء من صفر تصلب عبر القصب مرن المعرفة

الآلية المرنة هي مفهوم رائد في مجال الميكانيكا ، حيث تستخدم التشوه المرن للمواد لنقل الحركة أو القوة أو الطاقة. اكتسبت هذه الآلية شعبية في مختلف الصناعات ، بما في ذلك تحديد المواقع الدقيقة ، ومعالجة MEMS ، والفضاء ، بسبب مزاياها العديدة مثل الاحتكاك الصفري ، والتشغيل السلس ، وسهولة الصيانة ، والدقة العالية ، وقدرات المعالجة المتكاملة.

ومع ذلك ، فإن الآليات الصلبة التقليدية لا تزال تهيمن على السوق بسبب بعض القيود على الآلية المرنة. أحد هذه القيود هو الصلابة الإيجابية التي تحدث في الاتجاه الوظيفي أثناء عمل الآلية. تتطلب هذه الصلابة الإيجابية قوة دافعة أكبر ومتطلبات صارمة على السائق ، مما يقلل في النهاية من كفاءة نقل الطاقة. أعاقت هذه العيوب التطبيق الأوسع للآلية المرنة.

للتغلب على الآثار الضارة للتصلب الإيجابي ، أدخل العديد من العلماء مفهوم الصفر الصفر في الآلية المرنة. من خلال استخدام صلابة سلبية بذكاء لتعويض الصلابة الإيجابية ، يمكن تحقيق آلية ذات صلابة صفرية. مثل هذا النظام ، المعروف أيضًا باسم آلية التوازن الثابت المرن ، يمكن أن يحقق حالة توازن ثابتة في أي وقت في نطاق الحركة. يوفر هذا النوع من الآليات العديد من المزايا ، بما في ذلك أداء نقل القوة الممتاز ، والقدرة على العمل مع قوى قيادة أصغر ، وكفاءة نقل الطاقة العالية. وبالتالي ، فإن التركيز البحثي في ​​مجال آليات التوازن الثابت المرنة كان بشكل أساسي على المشابك الصغيرة المرنة.

من بين المكونات المختلفة للآليات المرنة ، حصلت المفصلات المرنة على اهتمام كبير بسبب خصائصها الاستثنائية. إن السفر النسبي للمفصلات المرنة المتقاطعة المعممة قصيرة نسبيًا ، مما يجعلها ذات قيمة عالية لمجموعة واسعة من التطبيقات. وبالتالي ، أصبح المفصل المرن الصفري المرن استنادًا إلى هذا التصميم هو الخيار المفضل لإنشاء آليات توازن ثابتة مرنة معقدة ، مما يجعل أبحاثها ذات أهمية كبيرة.

لتحقيق خصائص الصلابة الصفرية في المفصلات المرنة ، من الضروري تعويض الصلابة الإيجابية الالتوائية مع الصلابة السلبية الدورانية. في هذا الصدد ، تم تطوير نموذج تصلب سلبي الدوران. يتضمن النموذج استخدام نبع أوراق يتكون من قصبين متداخلين ، أحدهما ثابت والآخر مجاني. عندما يكون تشوه الطرف الفتح صغيرًا نسبيًا مقارنة بطول القصب ، يُظهر الربيع خطيًا جيدًا ويمكن تحليله كقائد بطول صفري.

يدرس تحليل نموذج الصلابة السلبية الدورانية عزم الدوران الذي تمارسه الينابيعين على نقطة محددة في النظام. بناءً على قانون الجيب الثلاثي ، يمكن التعبير عن عزم الدوران رياضيا. من خلال الجمع بين هذه العزم ، يمكن تحديد عزم الدوران الكلي على النقطة. يكشف هذا التحليل أنه عندما تكون زاوية الدوران أقل من 90 درجة ، تمارس الينابيع عزم دوران في نفس اتجاه زاوية الدوران ، مما يخلق صلابة سلبية دورانية.

لإنشاء نموذج مفصل مرن دقيق للرقابة ، من الأهمية بمكان تحليل الخصائص الميكانيكية للمفصلات المرنة المتقاطعة المعممة. يتناول هذا التحليل عوامل مختلفة مثل تأثير القوة الشعاعية والحمل الالتوائي النقي على تصلب الالتواء المفصلي. من خلال فهم هذه العوامل ، يمكن حساب تصلب الالتواء غير الأبعاد للمفصلات. يمكن بعد ذلك الحصول على النموذج المفاهيمي لمفصلات المرنة الصفرية من خلال استبدال زوج الدوران والتوازن في نموذج الصلابة السلبية الدورانية. هذا النموذج المفاهيمي متماثل ، مما يسمح بتحليل دوران عكس اتجاه عقارب الساعة للمنصة المتحركة.

للتحقق من دقة النموذج النظري ، يتم إجراء تحليل العناصر المحدودة باستخدام برنامج ANSYS. يتضمن التحليل محاكاة وتحليل خصائص زاوية التدوير لحظة من المفصلات المرنة الصفر. ثم تتم مقارنة النتائج بالحسابات النظرية. يتم إجراء المحاكاة على المفصلات ذات المعلمات المختلفة ، ويتم تعديل صلابة ربيع التوازن تدريجياً حتى يتم تقليل صلابة المفصلة إلى الصفر. من خلال مقارنة نتائج المحاكاة والحسابات النظرية ، تم التأكيد على أن النموذج النظري يمثل بدقة سلوك المفصلات المرنة الصفر.

علاوة على ذلك ، يتم استكشاف جدوى استخدام نوابض الأوراق كينابيع التوازن في مفصلات مرنة الصفر. تم إنشاء نموذج عنصر محدود لهذا الغرض ، وتتم مقارنة نتائج المحاكاة بتلك التي تم الحصول عليها باستخدام عنصر Combine14. تؤكد النتائج مرة أخرى صحة دقة وموثوقية النموذج النظري.

في الختام ، فإن استخدام الصلابة السلبية الدورانية لتعويض الصلابة الإيجابية في المفصلات المرنة يسمح بإنشاء أنظمة مفصلات مرنة الصفر. توفر هذه الأنظمة مزايا عديدة ، بما في ذلك انخفاض عزم الدوران في القيادة ، وتحسين أداء نقل القوة ، وزيادة كفاءة استخدام الطاقة. يتم تحليل طريقتين مختلفتين توازن ، وهما نوابض التوازن المزدوجة وينابيع التوازن الفردي ، ويتم تحديد ظروف التوازن الثابتة. ثم يتم التحقق من النتائج النظرية من خلال تحليل العناصر المحدودة. تؤكد الدراسة أن طريقة زنبرك المزدوجة التوازن مناسبة للسيناريوهات حيث لا تؤثر القوة الشعاعية على تصلب المفصلات ، في حين أن نموذج الربيع المفرد لديه مجموعة واسعة من التطبيقات. ومع ذلك ، فإن الانضغاط في الفضاء المحوري للنموذج الأخير يتعرض للخطر إلى حد ما ، مما يستلزم النظر الشامل أثناء التصميم الهيكلي. بشكل عام ، فإن البحث عن المفصلات المرنة الصفرية وتطبيقاتها له أهمية كبيرة في تقدم مجال الآليات المرنة.