Výpočet flexibility a analýza výkonu nového jednostranného hybri1

Abstraktní:

Flexibilní závěsy hrají klíčovou roli v oblasti mikroelektromechanických systémů (MEMS). Tento článek představuje nový typ flexibilního závěsu nazývaného jednostranného hybridního závěsu s rovným kruhem-elipsy. Flexibilita tohoto závěsu se počítá pomocí druhé věty KARL a výsledky jsou ověřeny analýzou konečných prvků. Strukturální parametry závěsu jsou analyzovány, aby se určila jejich vliv na jeho flexibilitu. Porovnání je také provedeno mezi jednostranným a oboustranným hybridním závěsem s přímým kruhem-elipsy a dospělo se k závěru, že jednostranný závěs nabízí lepší rotační kapacitu a citlivost zatížení. Celkově poskytuje jednostranný hybridní flexibilní závěs slibné řešení pro kompaktní a vysoce vysídlené aplikace ve strojírenství.

V rychle se vyvíjejících se oblastech mikroelektromechanické technologie, leteckého a biologického inženýrství již tradiční tuhé mechanismy nestačí k splnění požadavků na návrh a použití. Flexibilní mechanismy, s jejich malou velikostí, nepřítomností mechanického tření a mezer a vysokou citlivostí na pohyb, získaly významnou trakci v různých oborech, včetně strojů, robotiky, počítačů, automatického kontroly a přesného měření. Klíčovou součástí flexibilních mechanismů je flexibilní závěs, který využívá elastickou deformaci a vlastnosti sebeobjevení k odstranění ztraceného pohybu a mechanického tření, čímž se dosáhne vyššího rozlišení posunu. Jednorosé flexibilní závěsy lze klasifikovat na základě jejich průřezových tvarů, jako je oblouk, úhel olova, elipsa, parabola a typy hyperbola. Mezi nimi jsou přímé a úhlové závěsy olovo široce používány kvůli jejich jednoduchým strukturám. V některých případech, kdy je prostor omezen, však potřeba kompaktních struktur vedla ke vzniku jednostranných flexibilních závěsů, které našly rozsáhlé aplikace při přesném měření a umístění. Na základě výhod hybridních a jednostranných flexibilních pantů navrhuje tento článek jednostranný hybridní flexibilní závěs, který nabízí nový přístup k inženýrské aplikaci flexibilních závěsů s kompaktními strukturami a velkými posuny.

Výpočet flexibility jednostranného hybridního závěsu s přímým kruhem:

Jednotlivý hybridní závěsný závěs s přímým kruhem-cirkulkou zahrnuje polovinu jednostranného závěsu s rovným kruhem a polovinu jednostranného eliptického závěsu. Mezi jeho geometrické parametry zahrnují šířku závěsu (B), minimální tloušťka (T), poloměr přímého okruhu (R), délka závěsu (L), hlavní osa elipsy (M) a seminorická osa elipsy (N). Analýza flexibilního závěsu je založena na předpokladu malého deformovaného konzolového paprsku, s pravým koncem pevné a ohybové deformace způsobené silou a momentem. Zvažuje se vliv axiálního zatížení, zatímco účinky střihu a torze jsou zanedbávány. Podle druhé věty kazety lze stanovit vztah mezi deformací závěsu v bodě 1 a aplikovanou zatížením. Vzorec výpočtu flexibility je odvozen na základě tohoto vztahu a souřadnic průřezu závěsu. Prostřednictvím integrálních výpočtů lze získat flexibilitu jednostranného hybridního závěsu s přímým kruhem-elipsy.

Příklad výpočtu a ověření konečných prvků:

Výpočet příkladu se provádí pomocí odvozeného vzorec výpočtu flexibility pro různé hodnoty poloprostorové osy (n) elipsy. Výsledky jsou porovnány s výsledky analýzy konečných prvků (FEA) k ověření přesnosti vzorce. Je zjištěno, že chyba mezi dvěma sadami výsledků je menší než 8%, což potvrzuje platnost vzorce výpočtu flexibility.

Analýza výkonu jednostranného hybridního závěsu s přímým kruhem:

Flexibilita závěsu je ovlivněna jeho materiálem a strukturálními parametry. Vzorec výpočtu flexibility ukazuje, že elastický modul (E) je nepřímo úměrný šířce závěsu (B). Další parametry, jako je poloměr přímého okruhu (R), semi-major osy elipsy (m), seminorová osa elipsy (n) a minimální tloušťka (T), také ovlivňují flexibilitu. Analýza vzorce výpočtu flexibility ukazuje, že jeho parametry jsou nejcitlivější na změny v minimální tloušťce (t) závěsu.

Srovnání výkonu s bilaterálním hybridním závěsem s bilaterálním přímým kruhem:

Jednotlivý hybridní závěs s přímým kruhem-cirkulkou je porovnáván s oboustranným hybridním závěsem s oboustranným přímým kruhem-elipsy navrženým v literatuře. Poměr flexibility se používá jako index výkonu, definovaný jako poměr jednostranné flexibility k bilaterální flexibilitě. Výsledky ukazují, že jednostranný hybridní flexibilní závěs nabízí lepší kapacitu rotace a citlivost zatížení ve srovnání s bilaterálním hybridním závěsem.

Návrh nového typu flexibilního závěsu, jednostranného hybridního flexibilního závěsu, přináší nové možnosti pro inženýrské aplikace, které vyžadují kompaktní struktury a velké posuny. Vzorec výpočtu flexibility je odvozen na základě druhé věty Karla a ověřen analýzou konečných prvků. Je zjištěno, že strukturální parametry závěsu ovlivňují jeho flexibilitu, přičemž minimální tloušťka vyvíjí nejvýznamnější vliv. Jednotlivý hybridní flexibilní závěs funguje lépe než bilaterální hybridní závěs, pokud jde o kapacitu rotace a citlivost zatížení. Celkově nabízí jednostranný hybridní flexibilní závěs slibné vyhlídky na různé inženýrské aplikace.