Càlcul de flexibilitat i anàlisi de rendiment d’un nou Hybri de cercle recte d’un sol costat1

Abstracte:

Les frontisses flexibles tenen un paper crucial en el camp dels sistemes microelectromecànics (MEMS). Aquest article introdueix un nou tipus de frontissa flexible anomenada frontera híbrida de cercle recte-el·lipse a una cara. La flexibilitat d'aquesta frontissa es calcula mitjançant el segon teorema de Karl i els resultats es validen mitjançant l'anàlisi d'elements finits. S’analitzen els paràmetres estructurals de la frontissa per determinar la seva influència en la seva flexibilitat. També es fa una comparació entre les frontisses flexibles híbrides de cercle recte i de doble cara, i es conclou que la frontissa a una sola cara ofereix una millor capacitat de rotació i sensibilitat de càrrega. En general, la frontissa flexible híbrida a una sola cara proporciona una solució prometedora per a aplicacions compactes i altament de desplaçament en enginyeria.

En els camps en evolució ràpida de la tecnologia microelectromecànica, aeroespacial i enginyeria biològica, els mecanismes rígids tradicionals ja no són suficients per complir els requisits de disseny i ús. Els mecanismes flexibles, amb la seva petita mida, l’absència de fricció i buits mecànics, i una alta sensibilitat al moviment, han guanyat una tracció significativa en diverses disciplines, incloent maquinària, robòtica, ordinadors, control automàtic i mesura de precisió. El component clau dels mecanismes flexibles és la frontissa flexible, que utilitza propietats de deformació elàstica i autocobertura per eliminar el moviment perdut i la fricció mecànica, aconseguint així una resolució de desplaçament més elevada. Les frontisses flexibles d’un sol eix es poden classificar en funció de les seves formes de secció, com ara l’arc, l’angle de plom, l’el·lipse, la parabola i els tipus d’hiperbola. Entre aquests, les frontisses rectes i angle de plom s’utilitzen àmpliament a causa de les seves estructures simples. Tanmateix, en alguns casos en què l’espai està restringit, la necessitat d’estructures compactes ha provocat l’aparició de frontisses flexibles d’una sola cara, que han trobat aplicacions extenses en la mesura i el posicionament de la precisió. A partir dels avantatges de les frontisses flexibles híbrides i unilaterals, aquest article proposa una frontissa flexible híbrida unilateral, que ofereix un nou enfocament per a l’aplicació d’enginyeria de frontisses flexibles amb estructures compactes i grans desplaçaments.

Càlcul de flexibilitat de la frontissa híbrida unilateral de cercle recte -lipse:

La frontissa híbrida unilateral de cercle recte -lipse flexible comprèn la meitat d’una frontissa unilateral de cercle recte i la meitat d’una frontissa el·líptica unilateral. Els seus paràmetres geomètrics inclouen l'amplada de la frontissa (B), el gruix mínim (T), el radi de cercle recte (R), la longitud de la frontissa (L), l'eix principal de l'el·lipse (M) i l'eix seminor de l'el·lipse (N). L’anàlisi de la frontissa flexible es basa en l’assumpció d’un feix de voladís amb deformació petita, amb l’extrem dret fixat i la deformació de flexió causada per la força i el moment. Es considera la influència de la càrrega axial, mentre que els efectes de cisalla i torsió es descuiden. Segons el segon teorema del casset, es pot determinar la relació entre la deformació de la frontissa al punt 1 i la càrrega aplicada. La fórmula de càlcul de flexibilitat es deriva en funció d'aquesta relació i de les coordenades de la secció transversal de la frontissa. Mitjançant càlculs integrals, es pot obtenir la flexibilitat de la frontissa flexible híbrida unilateral de cercle recte -lipse.

Exemple de càlcul i verificació d'elements finits:

Un exemple de càlcul es realitza mitjançant la fórmula de càlcul de flexibilitat derivada per a diferents valors de l’eix semi-minor (n) de l’el·lipse. Els resultats es comparen amb els resultats de l’anàlisi d’elements finits (FEA) per verificar la precisió de la fórmula. L’error entre els dos conjunts de resultats es troba inferior al 8%, confirmant la validesa de la fórmula de càlcul de flexibilitat.

Anàlisi de rendiment de la frontissa flexible híbrida unilateral de cercle recte:

La flexibilitat de la frontissa està influenciada pels seus paràmetres materials i estructurals. La fórmula de càlcul de flexibilitat revela que el mòdul elàstic (E) és inversament proporcional a l'amplada de la frontissa (B). Altres paràmetres, com el radi de cercle recte (R), l’eix semi-major de l’el·lipse (M), l’eix seminor de l’el·lipse (N) i el gruix mínim (T), també afecten la flexibilitat. Una anàlisi de la fórmula de càlcul de flexibilitat demostra que els seus paràmetres són més sensibles als canvis en el gruix mínim (t) de la frontissa.

Comparació de rendiment amb una frontissa híbrida de cercle recte bilateral:

La frontissa flexible híbrida unilateral de cercle recte-el·lipse es compara amb la frontissa híbrida de cercle recte-el·lipse de doble costat proposat a la literatura. La relació de flexibilitat s’utilitza com a índex de rendiment, definida com la relació de la flexibilitat unilateral a la flexibilitat bilateral. Els resultats mostren que la frontissa flexible híbrida unilateral ofereix una millor capacitat de rotació i sensibilitat de càrrega en comparació amb la frontissa híbrida bilateral.

La proposta d’un nou tipus de frontissa flexible, la frontissa flexible híbrida unilateral, aporta noves possibilitats per a aplicacions d’enginyeria que requereixen estructures compactes i grans desplaçaments. La fórmula de càlcul de flexibilitat es deriva basant -se en el segon teorema de Karl i es valida mitjançant l’anàlisi d’elements finits. Es troba que els paràmetres estructurals de la frontissa afecten la seva flexibilitat, i el gruix mínim exerceix la influència més significativa. La frontissa flexible híbrida unilateral funciona millor que la frontissa híbrida bilateral en termes de capacitat de rotació i sensibilitat de càrrega. En general, la frontissa flexible híbrida unilateral ofereix perspectives prometedores per a diverses aplicacions d’enginyeria.