Erforschung der theoretischen Grundlage für die Entwurfsoptimierung flexibler Scharniere und flexible Körpermechanismen1

Zusammenfassung: Diese Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung der Flexibilitätsmatrix von gerundeten Biegerscharnieren. Die analytische Berechnungsmethode zur In-Ebene-Deformation des Scharniers wird basierend auf der Cantilever Strahltheorie abgeleitet. Das analytische Modell für die Flexibilitätsmatrix wird festgelegt, und eine vereinfachte Berechnungsformel für die Flexibilitätsmatrix wird bei der Betrachtung des Eckradius und der Scharnierdicke bereitgestellt. Zusätzlich wurde ein Finite -Elemente -Modell des Scharniers entwickelt, um die Genauigkeit des analytischen Modells zu überprüfen. Der relative Fehler zwischen den Analytik- und Simulationswerten der Flexibilitätsmatrixparameter wird auf verschiedene Parameter von Scharnierstruktur analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das analytische Modell genau ist und die relativen Fehler innerhalb akzeptabler Grenzen gesteuert werden können.

Flexible Scharniere werden aufgrund ihrer Vorteile einer hohen Bewegungsauflösung, ohne Reibung und einfacher Herstellungsprozess in Präzisionsgeräten häufig verwendet. Diese Scharniere beruhen auf ihre eigene elastische Verformung, um Bewegung, Kraft oder Energie zu übertragen oder umzuwandeln, wodurch die Notwendigkeit starre Komponenten beseitigt wird. Die Schlüsselparameter eines flexiblen Scharners beeinflussen die dynamischen Eigenschaften und die Endpositionierungsgenauigkeit direkt. Frühere Untersuchungen haben sich auf verschiedene Arten flexibler Scharniere konzentriert, aber nur begrenzte Studien wurden an gerundeten Biegerscharnieren mit geraden Strahlen durchgeführt. Dieses Papier zielt darauf ab, diese Forschungslücke zu schließen, indem die Flexibilitätsmatrix solcher Scharniere untersucht wird.

1. Flexibilitätsmatrix aus geraden abgerundeten flexiblen Scharnieren:

Das geraden abgerundete flexible Scharnier ist eine Blechkonstruktion mit abgerundeten Ecken, um die Spannungskonzentration zu vermeiden. Die geometrischen Parameter des Scharniers umfassen Höhe, Länge, Dicke und Filetradius. Ein analytisches Modell für die Flexibilitätsmatrix des Scharniers wird basierend auf der abgeleiteten analytischen Berechnungsmethode zur Deformation in der Ebene festgelegt. Die Flexibilitätsmatrixparameter werden auf unterschiedliche Scharnierstrukturparameter analysiert, und der relative Fehler zwischen den analytischen und den Simulationswerten wird berechnet.

2. Finite -Elemente -Überprüfung der Flexibilitätsmatrix:

Um die Genauigkeit des analytischen Modells zu validieren, wird ein Finite -Elemente -Modell des Scharniers mithilfe der UGNX -Nastran -Software erstellt. Die Simulationsergebnisse des mit Einheitskraft/-moment belasteten Scharniers werden mit den Analysetischen verglichen. Der relative Fehler zwischen den Analytik- und Simulationswerten der Flexibilitätsmatrixparameter wird auf verschiedene Verhältnisse der Scharnierlänge zu Dicke (l/t) und Eckradius zur Dicke (R/T) analysiert.

2.1 Effekt von L/T auf die Flexibilitätsmatrixparameter:

Der relative Fehler zwischen den Analyse- und Simulationswerten der Flexibilitätsmatrixparameter liegt als innerhalb von 5,5%, wenn das Verhältnis l/t größer oder gleich 4 ist. Bei Verhältnissen von weniger als 4 steigt der relative Fehler aufgrund der Einschränkungen der schlanken Strahlannahme signifikant an. Daher ist das analytische Modell mit geschlossenem Kreis für Scharniere mit größeren L/T-Verhältnissen geeignet.

2.2 Effekt von R/T auf die Flexibilitätsmatrixparameter:

Der relative Fehler zwischen den analytischen und Simulationswerten der Flexibilitätsmatrixparameter nimmt mit dem Anstieg des Verhältnisses r/t zu. Bei Verhältnissen zwischen 0,1 und 0,5 kann der relative Fehler innerhalb von 9%gesteuert werden. Bei Verhältnissen zwischen 0,2 und 0,3 kann der relative Fehler innerhalb von 6,5%gesteuert werden.

2.3 Effekt von R/T auf vereinfachte Flexibilitätsmatrixparameter:

Vereinfachte analytische Formeln für die Flexibilitätsmatrixparameter werden unter Berücksichtigung des Verhältnisses r/t bereitgestellt. Der relative Fehler zwischen den vereinfachten analytischen Werten und den Simulationswerten nimmt mit einer Erhöhung des Verhältnisses r/t zu. Bei Verhältnissen zwischen 0,3 und 0,2 kann der relative Fehler innerhalb von 9% bzw. 7% gesteuert werden.

Das entwickelte analytische Modell der Flexibilitätsmatrix für gerundete Biegerscharniere für geradlinige Strahlen bietet eine theoretische Grundlage für das Design und die Optimierung flexibler Scharniere und Mechanismen. Die Genauigkeit des Modells wird durch Finite -Elemente -Simulationen validiert, und die relativen Fehler liegen in akzeptablen Grenzen für verschiedene Parameter von Scharnierstruktur. Diese Forschung trägt zum Verständnis und Anwendung von gerundeten Biegerhäfen in verschiedenen Präzisionsgeräten bei.