Izračun fleksibilnosti i analiza performansi novog jednostranog ravnog kruga-elipse hibri1

Sažetak:

Fleksibilne šarke igraju ključnu ulogu u području mikroelektromehaničkih sistema (MEMS). Ovaj rad uvodi novu vrstu fleksibilnog šarke nazvan jednostrani hibridni šarki s hibridnim šarkama za ravno-krug-krug-elipse. Fleksibilnost ovog šarke izračunava se pomoću Karlove druge teoreme, a rezultati su potvrđeni putem analize konačnih elemenata. Strukturni parametri šarke analiziraju se kako bi se utvrdio njihov utjecaj na svoju fleksibilnost. Usporedba se takođe vrši između jednostrane i dvostrane hibridne šarke za ellipse elipse elipse, a zaključuje se da jednostrani šarki nudi bolji kapacitet rotacije i osjetljivost na opterećenje. Sve u svemu, jednostrani hibridni fleksibilni šarki pruža obećavajuće rešenje za kompaktne i visoko raseljavanje aplikacija u inženjerstvu.

U brzo razvijajućim poljima mikro-elektromehaničke tehnologije, zrakoplovstva i biološkog inženjerstva, tradicionalni kruti mehanizmi više nisu dovoljni za ispunjavanje zahtjeva za dizajn i upotrebu. Fleksibilni mehanizmi, sa malom veličinom, odsustvom mehaničkog trenja i praznina, i visokim osjetljivošću na pokretu, stekli su značajnu vuču u različitim disciplinama, uključujući mašinerije, robotiku, računare, automatsko upravljanje i precizno mjerenje. Ključna komponenta fleksibilnih mehanizama je fleksibilna šarka koja koristi elastičnu svojstva deformacije i samopozori za uklanjanje izgubljenog pokreta i mehaničkog trenja, čime se postigne veće rezolucije pomicanja. Jednoose fleksibilne šarke mogu se klasificirati na osnovu njihovih oblika presjeka, poput luka, vodećeg kuta, elipse, parabole i hiperbola. Među njima se šarkama za ravno okruglo i vodeće kugle široko koriste zbog njihovih jednostavnih struktura. Međutim, u nekim slučajevima u kojima je prostor ograničen, potreba za kompaktnim strukturama dovela je do pojave jednokrupenih fleksibilnih šarki, koji su pronašli opsežne aplikacije u preciznom mjerenju i pozicioniranju. Zgrada na prednosti hibridnih i jednostranih fleksibilnih šarki, ovaj rad predlaže jednostrani hibridni fleksibilni šarki koji nudi roman pristup inženjerskom primjeni fleksibilnih šarki sa kompaktnim strukturama i velikim pomacima.

Izračun fleksibilnosti jednostranog ravnog kruga-elipse hibridne fleksibilne šarke:

Jednostrani hibridni šarki s ravnom krugom-elipsom sastoji se od polovine jednostranog zgloba ravnog kruga i polovine jednostranog eliptičnog šarka. Njeni geometrijski parametri uključuju širinu šarke (B), minimalna debljina (t), radijus ravnog kruga (R), šarke (l), glavna osovina elipse (n). Analiza fleksibilnog šarke temelji se na pretpostavci malog deformiranog konzolnog greda, s desnim završetkom fiksnim i savijajućim deformacijom uzrokovanim silom i trenutkom. Utjecaj aksijalnog opterećenja smatra se, dok su smicalice i torzijski efekti zanemareni. Prema drugoj teoremu kasete, odnos između zglobnog deformacije u točki 1 i primijenjenom teretu može se odrediti. Formula za izračun fleksibilnosti izvedena je na osnovu ove veze i koordinata križarskog presjeka šarke. Kroz integralne proračune, može se dobiti fleksibilnost jednostranog hibridnog šarke elipse za izravna krug-elipsa.

Primjer izračuna i verifikacija konačnih elemenata:

Primjer izračuna se vrši korištenjem izvedenih formula za izračun fleksibilnosti za različite vrijednosti polu-manjih os (n) elipse. Rezultati se uspoređuju sa rezultatima analize konačnih elemenata (FEA) kako bi se provjerila tačnost formule. Otkriveno je da je greška između dva skupa rezultata manja od 8%, potvrđujući valjanost formule izračuna fleksibilnosti.

Analiza performansi jednostranog hibridnog šarke za elipse s ravnom krugom-elipse:

Na fleksibilnost šarke utječe njegovi materijalni i strukturni parametri. Formula izračuna fleksibilnosti otkriva da je elastični modul (e) obrnuto proporcionalan širini šarke (B). Ostali parametri, poput radijusa ravnog kruga (R), polu-glavna osovina elipse (m), polu-manja osovina elipse (N) i minimalna debljina (t), također utječu na fleksibilnost. Analiza formule izračuna fleksibilnosti pokazuje da su njegovi parametri najosjetljiviji na promjene u minimalnoj debljini (t) šarke.

Usporedba performansi sa bilateralnom ravnom krug-elipse hibridnom fleksibilnom šarku:

Jednostrana hibridna šarka za elipse s ravnom krugom-ellipsom uspoređuje se s dvostranim hibridnim fleksibilnim šarkama za ellipse za ravno-krug-elipse. Omjer fleksibilnosti koristi se kao indeks performansi, definiran kao odnos jednostrane fleksibilnosti na bilateralnu fleksibilnost. Rezultati pokazuju da jednostrani hibridni fleksibilan šarl nudi bolji kapacitet rotacije i osjetljivost opterećenja u odnosu na bilateralni hibridni šarki.

Prijedlog nove vrste fleksibilnog šarka, jednostrani hibridni fleksibilni šarki, donosi nove mogućnosti za inženjerske aplikacije koje zahtijevaju kompaktne strukture i velike pomake. Formula za izračun fleksibilnosti izvedena je na osnovu Karlove druge teoreme i potvrđena kroz analizu konačnih elemenata. Nađeno je da strukturni parametri šarke utječu na njenu fleksibilnost, a minimalna debljina vrši najznačajniji utjecaj. Jednostrani hibridni fleksibilni šarki izvodi bolje od bilateralnog hibridnog šarka u pogledu kapaciteta rotacije i osjetljivosti opterećenja. Sveukupno, jednostrani hibridni fleksibilni šarki nudi obećavajuće izglede za različite inženjerske aplikacije.