Forskning på teoretisk grundlag for designoptimering af fleksible hængsler og fleksible kropsmekanismer1

Abstract: Denne forskning fokuserer på at studere fleksibilitetsmatrixen for lige stråle afrundede bøjningshænger. Den analytiske beregningsmetode til deformation i planet af hængslet er afledt baseret på cantilever-strålteorien. Den lukkede loop-analytiske model for fleksibilitetsmatrixen er etableret, og en forenklet beregningsformel for fleksibilitetsmatrixen tilvejebringes, når man overvejer hjørnesradius og hængsletykkelse. Derudover udvikles en endelig elementmodel af hængslet for at verificere nøjagtigheden af ​​den analytiske model. Den relative fejl mellem de analytiske og simuleringsværdier for fleksibilitetsmatrixparametre analyseres for forskellige hængselsstrukturparametre. Resultaterne viser, at den analytiske model er nøjagtig, og de relative fejl kan kontrolleres inden for acceptable grænser.

Fleksible hængsler er vidt brugt i præcisionsenheder på grund af deres fordele ved høj bevægelsesopløsning, ingen friktion og enkel fremstillingsproces. Disse hængsler er afhængige af deres egen elastiske deformation for at overføre eller konvertere bevægelse, kraft eller energi, hvilket eliminerer behovet for stive komponenter. De vigtigste parametre for et fleksibelt hængsel påvirker direkte dets dynamiske egenskaber og slutpositioneringsnøjagtighed. Tidligere forskning har fokuseret på forskellige typer fleksible hængsler, men begrænsede undersøgelser er blevet udført på lige stråle afrundede bøjningshængsler. Denne artikel sigter mod at udfylde dette forskningsgap ved at studere fleksibilitetsmatrixen for sådanne hængsler.

1. Fleksibilitetsmatrix af lige stråle afrundede fleksible hængsler:

Den lige stråle afrundede fleksible hængsel er en arkstruktur med afrundede hjørner for at undgå stresskoncentration. Hængselens geometriske parametre inkluderer højde, længde, tykkelse og filetradius. En analytisk model med lukket sløjfe for hængslet fleksibilitetsmatrix er etableret baseret på den afledte analytiske beregningsmetode til deformation i plan. Fleksibilitetsmatrixparametre analyseres for forskellige hængselsstrukturparametre, og den relative fejl mellem analytiske og simuleringsværdierne beregnes.

2. Verifikation af begrænset element af fleksibilitetsmatrixen:

For at validere nøjagtigheden af ​​den analytiske model oprettes en endelig elementmodel af hængslet ved hjælp af UGNX Nastran -software. Simuleringsresultaterne af det hængsel, der er fyldt med enhedskraft/øjeblik, sammenlignes med de analytiske værdier. Den relative fejl mellem de analytiske og simuleringsværdier for fleksibilitetsmatrixparametre analyseres for forskellige forhold mellem hængslængde og tykkelse (L/T) og hjørnesradius til tykkelse (R/T).

2.1 Effekt af L/T på fleksibilitetsmatrixparametre:

Den relative fejl mellem de analytiske og simuleringsværdier for fleksibilitetsmatrixparametre viser sig at være inden for 5,5%, når forholdet L/T er større end eller lig med 4. For forhold mindre end 4 stiger den relative fejl markant på grund af begrænsningerne i den slanke stråle -antagelse. Derfor er den lukkede loop-analytiske model velegnet til hængsler med større L/T-forhold.

2.2 Effekt af R/T på fleksibilitetsmatrixparametre:

Den relative fejl mellem de analytiske og simuleringsværdier for fleksibilitetsmatrixparametre øges med stigningen i forholdet R/T. For forhold mellem 0,1 og 0,5 kan den relative fejl kontrolleres inden for 9%. For forhold mellem 0,2 og 0,3 kan den relative fejl kontrolleres inden for 6,5%.

2.3 Effekt af R/T på forenklet fleksibilitetsmatrixparametre:

Forenklede analytiske formler for fleksibilitetsmatrixparametre leveres i betragtning af forholdet R/T. Den relative fejl mellem de forenklede analytiske værdier og simuleringsværdierne øges med en stigning i forholdet R/T. For forhold mellem 0,3 og 0,2 kan den relative fejl kontrolleres inden for 9% og 7%.

Den udviklede analytiske model med lukket sløjfe af fleksibilitetsmatrixen til lige stråle afrundede bøjningshænger giver et teoretisk grundlag for design og optimering af fleksible hængsler og mekanismer. Nøjagtigheden af ​​modellen valideres gennem endelige elementsimuleringer, og de relative fejl er inden for acceptable grænser for forskellige hængselsstrukturparametre. Denne forskning bidrager til forståelse og anvendelse af lige stråle afrundede bøjningshængsler i forskellige præcisionsenheder.