Uue ühepoolse sirgjoonelise-ellipsi hübri paindlikkuse arvutamine ja jõudlusanalüüs1

Kokkuvõte:

Paindlikud hinged mängivad olulist rolli mikroelektromehaaniliste süsteemide (MEMS) valdkonnas. Selles artiklis tutvustatakse uut tüüpi painduvat liigendit, mida nimetatakse ühepoolseks sirgjooneline-ellipsi hübriidse painduvaks liigendiks. Selle liigendi paindlikkus arvutatakse Karli teise teoreemi abil ja tulemused kinnitatakse lõplike elementide analüüsi abil. Hinge struktuurilisi parameetreid analüüsitakse, et teha kindlaks nende mõju selle paindlikkusele. Võrdlus tehakse ka ühepoolse ja kahepoolse sirgjoonelise-ellipsi hübriidse painduvate hingede vahel ning järeldatakse, et ühepoolne liigend pakub paremat pöörlemisvõimet ja koormustundlikkust. Üldiselt pakub ühepoolne hübriid paindlik liigend paljutõotava lahenduse kompaktseteks ja väga nihkerakenduste jaoks inseneriteaduses.

Mikroelektromehaanilise tehnoloogia, lennunduse ja bioloogilise inseneri kiiresti arenevatel väljadel ei ole traditsioonilised jäigad mehhanismid enam piisavad kujundus- ja kasutusnõuete täitmiseks. Paindlikud mehhanismid, millel on väiksus, mehaanilise hõõrdumise ja lünkade puudumine ning kõrge liikumistundlikkus, on saavutanud märkimisväärset veojõudu erinevates erialades, sealhulgas masinaid, robootikat, arvuteid, automaatset juhtimist ja täpsuse mõõtmist. Painduvate mehhanismide põhikomponent on painduv liigend, mis kasutab kaotatud liikumise ja mehaanilise hõõrdumise kõrvaldamiseks elastset deformatsiooni ja enese taaselustamise omadusi, saavutades seeläbi kõrgema nihke eraldusvõime. Üheteljeliste painduvaid hingekese saab klassifitseerida nende ristlõike kujul, näiteks kaare, plii nurga, ellipsi, parabola ja hüperboolitüüpide põhjal. Nende hulgas kasutatakse sirgjoonelisi ja plii nurga hingesid nende lihtsate struktuuride tõttu laialdaselt. Kuid mõnel juhul, kui ruumi on piiratud, on kompaktsete struktuuride vajadus viinud ühepoolsete painduvate hingede tekkimiseni, mis on leidnud ulatuslikke rakendusi täpse mõõtmise ja positsioneerimise osas. Hübriid- ja ühepoolsete painduvate hingede eelistele tuginedes pakub see artikkel välja ühepoolse hübriidse painduva liigendi, mis pakub uudset lähenemisviisi paindlike hingede tehnilisele rakendamisele kompaktsete struktuuride ja suurte nihketega.

Ühepoolse sirgjoonelise hübriidse painduva painduvuse paindlikkuse arvutamine:

Ühepoolne sirgjooneline hübriidse painduv liigend koosneb poole ühepoolsest sirgest ringist ja poole ühepoolsest elliptilisest hingest. Selle geomeetrilised parameetrid hõlmavad liigendilaiust (B), minimaalset paksust (t), sirgjoonelist raadiust (R), liigendpikkust (L), ellipsi (M) põhitelje (M) ja ellipsi (n) poolmuutustelg. Paindliku liigendi analüüs põhineb väikese deformeeritud konsooli tala eeldusel, parempoolse otsaga fikseeritud ja painutav deformatsioon, mis on põhjustatud jõust ja hetkest. Arvestatakse aksiaalse koormuse mõju, samal ajal kui nihke- ja väändefektid on tähelepanuta jäetud. Teise kasseti teoreemi kohaselt saab kindlaks määrata liigese deformatsiooni ja rakendatud koormuse vahelise seose. Paindlikkuse arvutamise valem tuletatakse selle suhte ja hinge ristlõike koordinaatide põhjal. Integraalsete arvutuste kaudu on võimalik saada ühepoolse sirgjoonelise-ellipsi hübriidse painduva liigendi paindlikkus.

Näide arvutuse ja lõplike elementide kontrollimise:

Näite arvutusele viiakse läbi tuletatud paindlikkuse arvutusvalemi, mis on mõeldud ellipsi poolmuuda telje (n) erinevate väärtuste jaoks. Tulemusi võrreldakse valemi täpsuse kontrollimiseks lõplike elementide analüüsi (FEA) tulemustega. Viga kahe tulemuste komplekti vahel on väiksem kui 8%, mis kinnitab painduvuse arvutusvalemi kehtivust.

Ühepoolse sirgjoonelise-ellipsi hübriidse painduva liigendi jõudlusanalüüs:

Hinge paindlikkust mõjutavad selle materiaalsed ja struktuurilised parameetrid. Paindlikkuse arvutuste valem näitab, et elastsusmoodul (E) on pöördvõrdeline hinge laiusega (B). Paindlikkust mõjutavad ka muud parameetrid, näiteks sirge ringi raadius (R), ellipsi (m) poolmajor telg, poolmuutumine telg ja minimaalne paksus (t). Paindlikkuse arvutusvalemi analüüs näitab, et selle parameetrid on kõige tundlikumad liigendi minimaalse paksuse (T) muutuste suhtes.

Jõudluse võrdlus kahepoolse sirgjoonelise-ellipsi hübriidse painduva hingega:

Ühepoolset sirgjoonelist hübriidse painduvat liigendit võrreldakse kirjanduses pakutud kahepoolse sirgjoonelise-ellipsi hübriidse painduva hingega. Paindlikkuse suhet kasutatakse jõudlusindeksina, mis on määratletud kui ühepoolse paindlikkuse ja kahepoolse paindlikkuse suhe. Tulemused näitavad, et ühepoolne hübriid paindlik liigend pakub paremat pöörlemisvõimet ja koormustundlikkust võrreldes kahepoolse hübriidhõngas.

Uut tüüpi paindliku liigendi, ühepoolse hübriidse painduva liigendi ettepanek toob uusi võimalusi insenerirakenduste jaoks, mis nõuavad kompaktseid struktuure ja suuri nihkeid. Paindlikkuse arvutamise valem tuletatakse Karli teise teoreemi põhjal ja valideeritakse lõplike elementide analüüsi kaudu. Leitakse, et liigendi struktuurilised parameetrid mõjutavad selle paindlikkust, kõige olulisem mõju avaldab minimaalset paksust. Ühepoolne hübriid painduv liigend toimib paremini kui kahepoolne hübriidhinge pöörlemisvõime ja koormuse tundlikkuse osas. Üldiselt pakub ühepoolne hübriid paindlik liigend paljulubavaid väljavaateid erinevate insenerirakenduste jaoks.