Cálculo de flexibilidad y análisis de rendimiento de un nuevo híbrido de círculo recto de un solo lado

Abstracto:

Las bisagras flexibles han ganado una popularidad significativa en el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Este documento presenta un tipo novedoso de bisagra flexible, a saber, la bisagra híbrida híbrida de círculo recto de un solo lado. Aprovechando el segundo teorema de Karl, se propone una fórmula computacional para la flexibilidad de las bisagras flexibles híbridas circulares y elípticas. La fórmula derivada se valida mediante análisis de elementos finitos y análisis comparativo. Se analiza el impacto de cada parámetro estructural de la bisagra flexible híbrida unilateral en su flexibilidad. Además, se realiza una comparación con la bisagra híbrida híbrida de círculo recto de doble cara para demostrar la capacidad de rotación superior y la sensibilidad de carga del diseño unilateral. La propuesta de bisagras flexibles híbridas unilaterales presenta una nueva vía para aplicaciones de ingeniería que requieren estructuras compactas y grandes desplazamientos.

El advenimiento de la tecnología microelectromecánica, la ingeniería aeroespacial e ingeniería biológica ha destacado las limitaciones de los mecanismos rígidos tradicionales para cumplir con los requisitos de diseño y uso. Los mecanismos flexibles ofrecen numerosas ventajas, como pequeños tamaño, ausencia de fricción mecánica, sin huecos y alta sensibilidad al movimiento. Esto ha llevado a su uso extenso en diversas disciplinas, incluidas maquinaria, robótica, computadoras, control automático y medición de precisión. El componente clave de los mecanismos flexibles es la bisagra flexible, que elimina el movimiento perdido y la fricción mecánica a través de la deformación elástica y las propiedades de auto-recuperación, lo que permite resoluciones de mayor desplazamiento. Las bisagras flexibles de un solo eje se clasifican en varias formas, como ARC, ángulo de plomo, elipse, parábola e hipérbola. Entre ellos, los tipos de ángulo recto y de plomo están ampliamente empleados debido a sus estructuras simples. Sin embargo, en ciertas aplicaciones donde el espacio es limitado, las bisagras flexibles de un solo lado han surgido como una elección preferida, encontrando utilidad en la medición y posicionamiento de precisión.

Métodos:

Sobre la base de la investigación antes mencionada, este estudio propone un nuevo tipo de bisagra flexible llamada bisagra flexible híbrida unilateral, que combina las ventajas de las bisagras flexibles híbridas y unilaterales. La fórmula de cálculo de flexibilidad para esta bisagra se deriva en función del segundo teorema de Karl, y su rendimiento se verifica a través del análisis de elementos finitos. El estudio también examina la influencia de varios parámetros estructurales en la flexibilidad de la bisagra.

Resultados y discusión:

La fórmula de cálculo de flexibilidad para la bisagra flexible híbrida unilateral de círculo recto-círculo recto-círculo indica que la flexibilidad depende tanto de los parámetros materiales como estructurales. La fórmula derivada demuestra que los parámetros de flexibilidad son inversamente proporcionales al ancho de la bisagra, mientras que los parámetros como el radio de círculo recto, el eje semi-mayor de elipse, el eje semi-minor y el grosor mínimo también influyen en la flexibilidad. A través del análisis, se observa que la flexibilidad disminuye con un aumento en el eje semi-minor de la elipse, aumenta con una disminución en el grosor mínimo y cambia de no linealidad con un grosor variable. Se encuentra que la influencia del grosor mínimo en la flexibilidad es más significativa en comparación con otros parámetros.

Se dibuja una comparación entre la bisagra flexible híbrida unilateral de círculo recto-círculo-círculo y la bisagra híbrida híbrida de círculo recto de doble cara propuesta en literatura previa. La flexibilidad se identifica como la característica más vital de las bisagras flexibles, y se introduce una relación de flexibilidad relativa, denotada como CDAY, para comparar los dos diseños de bisagras. El análisis revela que la bisagra flexible híbrida unilateral exhibe una mayor capacidad de rotación y sensibilidad de carga en comparación con el diseño bilateral. La flexibilidad de la bisagra flexible híbrida unilateral es aproximadamente 1.37 veces mayor que la del diseño bilateral.

Este estudio presenta un análisis exhaustivo de la bisagra flexible híbrida unilateral, un diseño innovador de bisagras flexible que ofrece estructuras compactas y grandes desplazamientos. La fórmula de cálculo de flexibilidad derivada se valida a través del análisis de elementos finitos, lo que demuestra un error dentro del 8%. Se analiza la influencia de los parámetros estructurales en la flexibilidad, con el grosor mínimo de la bisagra identificado como el parámetro más influyente. Además, una comparación con la bisagra flexible híbrida bilateral resalta el rendimiento superior del diseño unilateral en términos de capacidad de rotación y sensibilidad de carga. La bisagra flexible híbrida unilateral propuesta abre nuevas posibilidades para la aplicación de ingeniería de bisagras flexibles en diversas industrias.