Uuden yksipuolisen suoran ympyrä-ellipsen hybri joustavuuslaskelma ja suoritusanalyysi1

Abstrakti:

Joustavilla saranoilla on ratkaiseva merkitys mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEM) alalla. Tämä artikkeli esittelee uuden tyyppisen joustavan saranan, jota kutsutaan yksipuoliseksi suoraympyrä-ellipsien hybridijoustavaksi saranaksi. Tämän saranan joustavuus lasketaan käyttämällä Karlin toista lauseita, ja tulokset validoidaan äärellisen elementtianalyysin avulla. Saranan rakenneparametrit analysoidaan niiden vaikutuksen määrittämiseksi sen joustavuuteen. Vertailu tehdään myös yksipuolisten ja kaksipuolisten suoran ympyrä-ellipsien hybridijoustavien saranojen välillä, ja pääteltään, että yksipuolinen sarana tarjoaa paremman kiertokapasiteetin ja kuormitusherkkyyden. Kaiken kaikkiaan yksipuolinen hybridijoustava sarana tarjoaa lupaavan ratkaisun tekniikan kompakteihin ja erittäin siirtymissovelluksiin.

Mikroelektromekaanisen tekniikan, ilmailu- ja biologisen tekniikan nopeasti kehittyneillä aloilla perinteiset jäykät mekanismit eivät enää riitä vastaamaan suunnittelu- ja käyttövaatimuksia. Joustavat mekanismit, joiden koko on pieni, mekaanisen kitkan ja aukkojen puuttuminen sekä korkean liikkeen herkkyys, ovat saaneet merkittävän vetovoiman eri tieteenaloilla, mukaan lukien koneet, robotiikka, tietokoneet, automaattinen ohjaus ja tarkkuusmittaus. Joustavien mekanismien avainkomponentti on joustava sarana, jossa hyödynnetään joustavia muodonmuutoksia ja itsehoitoominaisuuksia kadonneen liikkeen ja mekaanisen kitkan poistamiseksi, saavuttaen siten suuremman siirtymän resoluution. Yhden akselin joustavat saranat voidaan luokitella niiden poikkileikkausmuotojen, kuten kaari-, lyijykulman, ellipsin, parabola- ja hyperbolatyyppien perusteella. Näiden joukossa suoraa kierroksen ja lyijykulman saranaa käytetään laajasti niiden yksinkertaisten rakenteiden takia. Joissakin tapauksissa, joissa tilaa on rajoitettu, kompaktien rakenteiden tarve on kuitenkin johtanut yksipuolisten joustavien saranojen syntymiseen, jotka ovat löytäneet laajoja sovelluksia tarkkuuden mittaamisessa ja paikannuksessa. Tämä artikkeli, joka perustuu hybridi- ja yksipuolisten joustavien saranoiden etuihin, ehdottaa yksipuolista hybridi -joustavaa saranaa, joka tarjoaa uuden lähestymistavan joustavien saranojen tekniikan soveltamiseen kompakteilla rakenteilla ja suurilla siirtymillä.

Yksipuolisen suoran ympyrän ja ellipsin hybridi-joustavan saranan joustavuuslaskenta:

Yksipuolinen suora ympyrä-ellipsi hybridi Joustava sarana käsittää puolet yksipuolisesta suoran ympyrän saranasta ja puolet yksipuolisesta elliptisestä saranasta. Sen geometrisiin parametreihin kuuluvat saranan leveys (b), minimipaksuus (t), suoran ympyrän säde (R), saranan pituus (L), ellipsin (M) pääakseli ja ellipsin (n) puoliminor-akseli (n). Joustavan saranan analyysi perustuu oletukseen pienen epämuodostuneen ulokepalkin, oikean pään ja taivutusmuodostuksen ollessa voiman ja hetken aiheuttama. Aksiaalikuorman vaikutusta otetaan huomioon, kun taas leikkaus- ja vääntövaikutukset laiminlyödään. Toisen kasetinlauseen mukaan saranan muodonmuutoksen välillä kohdassa 1 ja käytetyn kuorman välinen suhde voidaan määrittää. Joustavuuslaskentakaava johdetaan tämän suhteen ja saranan poikkileikkauksen koordinaattien perusteella. Integraalilaskelmien avulla voidaan saada yksipuolisen suoran ympyrä-ellipsien hybridi-joustavan saranan joustavuus.

Esimerkki laskenta ja äärellisen elementin varmennus:

Esimerkkilaskelma suoritetaan käyttämällä johdettua joustavuuslaskelmakaavaa ellipsin puoliminor-akselin (n) eri arvoille. Tuloksia verrataan äärellisten elementtien analyysien (FEA) tuloksiin kaavan tarkkuuden varmistamiseksi. Kahden tulosarjan välisen virheen havaitaan olevan alle 8%, mikä vahvistaa joustavuuslaskelman kaavan pätevyyden.

Suorituskykyanalyysi yksipuolisen suoran ympyrä-ellipsin hybridi-joustavan saranan:

Saranan joustavuuteen vaikuttavat sen materiaali- ja rakenneparametrit. Joustavuuslaskentakaava paljastaa, että elastinen moduuli (E) on käänteisesti verrannollinen saranan leveyteen (b). Muut parametrit, kuten ellipsin (M), ellipsin (n) ja paksuus (t), ja vähimmäispaksuus (t), vastaavat ellipsin (m), puolimalaitoksen akselit, vaikuttavat myös joustavuuteen. Joustavuuslaskelman kaavan analyysi osoittaa, että sen parametrit ovat herkimpiä saranan minimipaksuuden (t) muutoksille.

Suorituskyvyn vertailu kahdenväliseen suoran ympyrän ja ellipsen hybridi-joustavaan saranaan:

Yksipuolista suoraa ympyrä-ellipsiä hybridi-joustavaa saranaa verrataan kaksipuoliseen suoran ympyrä-ellipsen hybridi-joustavaan saranaan, joka ehdotetaan kirjallisuudessa. Joustavuussuhdetta käytetään suorituskykyindeksinä, joka on määritelty kahdenvälisen joustavuuden yksipuolisen joustavuuden suhteena. Tulokset osoittavat, että yksipuolinen hybridijoustava sarana tarjoaa paremman kiertokapasiteetin ja kuormitusherkkyyden verrattuna kahdenväliseen hybridi -saranaan.

Uuden tyyppisen joustavan saranan, yksipuolisen hybridi -joustavan saranan, ehdotus tuo uusia mahdollisuuksia tekniikan sovelluksiin, jotka vaativat kompakteja rakenteita ja suuria siirtymiä. Joustavuuslaskentakaava johdetaan Karlin toisen lauseen perusteella ja validoitu äärellisen elementin analyysin avulla. Saranan rakenneparametrien havaitaan vaikuttavan sen joustavuuteen, ja minimin paksuus on merkittävin vaikutus. Yksipuolinen hybridi -joustava sarana toimii paremmin kuin kahdenvälinen hybridi -sarana pyörimiskapasiteetin ja kuorman herkkyyden suhteen. Kaiken kaikkiaan yksipuolinen hybridi -joustava sarana tarjoaa lupaavia näkymiä erilaisille tekniikan sovelluksille.