Fleksibilitetsberegning og præstationsanalyse af en ny enkelt-sidet lige-cirkel-ellipse hybri

Abstrakt:

Fleksible hængsler har fået betydelig popularitet inden for mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Denne artikel introducerer en ny type fleksibel hængsel, nemlig den enkelt-sidede lige-cirkel-ellipse hybrid fleksible hængsel. Udnyttelse af Karls anden sætning foreslås en beregningsmæssig formel for fleksibiliteten i cirkulære og elliptiske hybridfleksible hængsler. Den afledte formel valideres gennem endelig elementanalyse og komparativ analyse. Virkningen af ​​hver strukturel parameter for den ensidige hybridfleksible hængsel på dens fleksibilitet analyseres. Endvidere foretages en sammenligning med den dobbeltsidede lige-cirkel-ellipse-hybridfleksible hængsel for at demonstrere den overordnede rotationskapacitet og belastningsfølsomheden af ​​det ensidige design. Forslaget om ensidig hybridfleksible hængsler præsenterer en ny vej til tekniske applikationer, der kræver kompakte strukturer og store forskydninger.

Fremkomsten af ​​mikroelektromekanisk teknologi, luftfartsteknik og biologisk teknik har fremhævet begrænsningerne i traditionelle stive mekanismer til opfyldelse af design og brugskrav. Fleksible mekanismer giver adskillige fordele såsom lille størrelse, fravær af mekanisk friktion, ingen huller og følsomhed med høj bevægelses. Dette har ført til deres omfattende anvendelse i forskellige discipliner, herunder maskiner, robotik, computere, automatisk kontrol og præcisionsmåling. Den vigtigste komponent i fleksible mekanismer er det fleksible hængsel, der eliminerer mistet bevægelse og mekanisk friktion gennem elastisk deformation og selvinddrivende egenskaber, hvilket muliggør højere forskydningsopløsninger. Enkeltakse fleksible hængsler klassificeres i forskellige former, såsom bue, blyvinkel, ellipse, parabola og hyperbola. Blandt dem er de lige runde og blyvinkeltyper i vid udstrækning anvendt på grund af deres enkle strukturer. I visse applikationer, hvor pladsen er begrænset, er enkeltsidede fleksible hængsler imidlertid fremkommet som et foretrukket valg, idet man finder brug i præcisionsmåling og positionering.

Metoder:

På baggrund af den førnævnte forskning foreslår denne undersøgelse en ny type fleksibel hængsel kaldet den ensidige hybridfleksible hængsel, der kombinerer fordelene ved hybrid og ensidig fleksible hængsler. Fleksibilitetsberegningsformlen for dette hængsel er afledt baseret på Karls anden sætning, og dens ydeevne verificeres gennem endelig elementanalyse. Undersøgelsen undersøger også påvirkningen af ​​forskellige strukturelle parametre på hængslet fleksibilitet.

Resultater og diskussion:

Fleksibilitetsberegningsformlen for den ensidige lige-cirkel-ellipse-hybridfleksible hængsel indikerer, at fleksibilitet er afhængig af både materielle og strukturelle parametre. Den afledte formel viser, at fleksibilitetsparametre er omvendt proportional med hængslets bredde, mens parametre som lige cirkelradius, ellipse semi-major akse, semi-minor-akse og minimum tykkelse også påvirker fleksibiliteten. Gennem analyse observeres det, at fleksibiliteten falder med en stigning i ellipsens semi-minor-akse, øges med et fald i minimumstykkelsen og ændrer ikke-lineært med varierende tykkelse. Påvirkningen af ​​minimumstykkelse på fleksibilitet viser sig at være mere markant sammenlignet med andre parametre.

Der trækkes en sammenligning mellem den ensidige lige-cirkel-ellipse-hybridfleksible hængsel og den dobbeltsidede lige-cirkel-ellipse hybrid fleksible hængsel foreslået i tidligere litteratur. Fleksibilitet identificeres som den mest vitale egenskab ved fleksible hængsler, og et relativt fleksibilitetsforhold, betegnet som cday, introduceres for at sammenligne de to hængselsdesign. Analysen afslører, at den ensidige hybridfleksible hængsel udviser større rotationskapacitet og belastningsfølsomhed sammenlignet med det bilaterale design. Fleksibiliteten i den ensidige hybridfleksible hængsel er ca. 1,37 gange højere end det bilaterale design.

Denne undersøgelse præsenterer en omfattende analyse af den ensidige hybridfleksible hængsel, et innovativt fleksibelt hængseldesign, der tilbyder kompakte strukturer og store forskydninger. Formlen for afledt fleksibilitet beregnes gennem endelig elementanalyse, hvilket viser en fejl inden for 8%. Indflydelsen af ​​strukturelle parametre på fleksibilitet analyseres med den mindste tykkelse af det hængsel, der er identificeret som den mest indflydelsesrige parameter. Endvidere fremhæver en sammenligning med den bilaterale hybridfleksible hængsel den overlegne ydelse af det ensidige design med hensyn til rotationskapacitet og belastningsfølsomhed. Den foreslåede ensidige hybridfleksible hængsel åbner nye muligheder for teknisk anvendelse af fleksible hængsler i forskellige brancher.