Càlcul de flexibilitat i anàlisi de rendiment d’un nou Hybri de cercle recte d’un sol costat

Abstracte:

Les frontisses flexibles han guanyat una popularitat important en el camp dels sistemes microelectromecànics (MEMS). Aquest treball introdueix un nou tipus de frontissa flexible, és a dir, la frontissa híbrida de cercle recte-el·lipse a una cara. Aprofitar el segon teorema de Karl, es proposa una fórmula computacional per a la flexibilitat de les frontisses flexibles híbrides circulars i el·líptiques. La fórmula derivada es valida mitjançant l’anàlisi d’elements finits i l’anàlisi comparativa. S’analitza l’impacte de cada paràmetre estructural de la frontissa flexible híbrida unilateral en la seva flexibilitat. A més, es fa una comparació amb la frontissa híbrida híbrida de cercle recte-el·lipse a doble cara per demostrar la capacitat de rotació superior i la sensibilitat de càrrega del disseny unilateral. La proposta de frontisses flexibles híbrides unilateral presenta una nova via per a aplicacions d’enginyeria que requereixen estructures compactes i grans desplaçaments.

L’arribada de la tecnologia microelectromecànica, l’enginyeria aeroespacial i l’enginyeria biològica ha destacat les limitacions dels mecanismes rígids tradicionals en els requisits de disseny i ús. Els mecanismes flexibles ofereixen nombrosos avantatges com ara petita mida, absència de fricció mecànica, sense buits i alta sensibilitat al moviment. Això ha provocat un ús extensiu en diverses disciplines, com ara maquinària, robòtica, ordinadors, control automàtic i mesura de precisió. El component clau dels mecanismes flexibles és la frontissa flexible, que elimina el moviment perdut i la fricció mecànica mitjançant propietats de deformació elàstica i autocobertura, permetent resolucions de desplaçament més elevades. Les frontisses flexibles d’un sol eix es classifiquen en diverses formes, com ara arc, angle de plom, el·lipse, parabola i hiperbola. Entre ells, els tipus d'angle recte i de plom són àmpliament utilitzats a causa de les seves estructures simples. Tanmateix, en determinades aplicacions on l’espai és limitat, les frontisses flexibles d’una sola cara han aparegut com a elecció preferida, trobant utilitat en la mesura i el posicionament de la precisió.

Mètodes:

Basant -se en la investigació esmentada, aquest estudi proposa un nou tipus de frontissa flexible anomenada frontissa flexible híbrida unilateral, que combina els avantatges de les frontisses flexibles híbrides i unilateral. La fórmula de càlcul de flexibilitat d'aquesta frontissa es deriva basada en el segon teorema de Karl i el seu rendiment es verifica mitjançant l'anàlisi d'elements finits. L’estudi també examina la influència de diversos paràmetres estructurals en la flexibilitat de la frontissa.

Resultats i discussió:

La fórmula de càlcul de flexibilitat de la frontissa flexible unilateral de cercle recte -lipse híbrid indica que la flexibilitat depèn tant dels paràmetres de material com estructural. La fórmula derivada demostra que els paràmetres de flexibilitat són inversament proporcionals a l’amplada de la frontissa, mentre que paràmetres com el radi de cercle recte, l’eix semi-major d’el·lipse, l’eix semi-minor i el gruix mínim també influeixen en la flexibilitat. Mitjançant l’anàlisi, s’observa que la flexibilitat disminueix amb un augment de l’eix semi-minor de l’el·lipse, augmenta amb una disminució del gruix mínim i canvia no lineal amb un gruix variable. La influència del gruix mínim en la flexibilitat es troba més significativa en comparació amb altres paràmetres.

Es fa una comparació entre la frontissa flexible híbrida unilateral de cercle recte-el·lipse i la frontissa híbrida de cercle directe de doble cara a la frontissa flexible proposada en la literatura prèvia. La flexibilitat s’identifica com la característica més vital de les frontisses flexibles i s’introdueix una relació de flexibilitat relativa, denotada com a CDAY, per comparar els dos dissenys de frontissa. L’anàlisi revela que la frontissa flexible híbrida unilateral presenta una major capacitat de rotació i sensibilitat de càrrega en comparació amb el disseny bilateral. La flexibilitat de la frontissa flexible híbrida unilateral és aproximadament 1,37 vegades superior a la del disseny bilateral.

Aquest estudi presenta una anàlisi completa de la frontissa flexible híbrida unilateral, un innovador disseny de frontissa flexible que ofereix estructures compactes i grans desplaçaments. La fórmula de càlcul de flexibilitat derivada es valida mitjançant l’anàlisi d’elements finits, demostrant un error dins del 8%. S’analitza la influència dels paràmetres estructurals en la flexibilitat, amb el gruix mínim de la frontissa identificat com el paràmetre més influent. A més, una comparació amb la frontissa flexible híbrida bilateral posa de manifest el rendiment superior del disseny unilateral en termes de capacitat de rotació i sensibilitat de càrrega. La frontissa híbrida unilateral proposada obre noves possibilitats per a l’aplicació d’enginyeria de frontisses flexibles en diverses indústries.