Calcul de la flexibilité et analyse des performances d'un nouvel hybri à l'ellipse à cercle droit à un seul côté

Abstrait:

Les charnières flexibles ont gagné en popularité significative dans le domaine des systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Cet article introduit un nouveau type de charnière flexible, à savoir la charnière flexible hybride à écrcle droit à un seul côté. Tirant parti du deuxième théorème de Karl, une formule de calcul pour la flexibilité des charnières flexibles hybrides circulaires et elliptiques est proposée. La formule dérivée est validée par une analyse par éléments finis et une analyse comparative. L'impact de chaque paramètre structurel de la charnière flexible hybride unilatérale sur sa flexibilité est analysé. En outre, une comparaison est faite avec la charnière hybride à l'éllipse droite double face pour démontrer la capacité de rotation supérieure et la sensibilité à la charge de la conception unilatérale. La proposition de charnières flexibles hybrides unilatérales présente une nouvelle avenue pour les applications d'ingénierie nécessitant des structures compactes et de grands déplacements.

L'avènement de la technologie micro-électromécanique, de l'ingénierie aérospatiale et de l'ingénierie biologique a mis en évidence les limites des mécanismes rigides traditionnels pour répondre aux exigences de conception et d'utilisation. Les mécanismes flexibles offrent de nombreux avantages tels que la petite taille, l'absence de friction mécanique, pas de lacunes et une sensibilité élevée au mouvement. Cela a conduit à leur utilisation approfondie dans diverses disciplines, notamment les machines, la robotique, les ordinateurs, le contrôle automatique et la mesure de précision. Le composant clé des mécanismes flexibles est la charnière flexible, qui élimine le mouvement perdu et la friction mécanique par des propriétés de déformation élastique et d'auto-récupération, permettant des résolutions de déplacement plus élevées. Les charnières flexibles à axe unique sont classées en différentes formes, telles que l'arc, l'angle de plomb, l'ellipse, la parabole et l'hyperbole. Parmi eux, les types d'angle en ligne droite et en plomb sont largement utilisés en raison de leurs structures simples. Cependant, dans certaines applications où l'espace est limité, des charnières flexibles unilatérales sont apparues comme un choix préféré, trouvant l'utilité dans la mesure et le positionnement de précision.

Méthodes:

S'appuyant sur les recherches susmentionnées, cette étude propose un nouveau type de charnière flexible appelée charnière flexible hybride unilatérale, qui combine les avantages des charnières flexibles hybrides et unilatérales. La formule de calcul de flexibilité pour cette charnière est dérivée sur la base du deuxième théorème de Karl, et ses performances sont vérifiées par analyse par éléments finis. L'étude examine également l'influence de divers paramètres structurels sur la flexibilité de la charnière.

Résultats et discussion:

La formule de calcul de la flexibilité pour la charnière hybride unilatérale de la charnière hybride en cercle droit indique que la flexibilité dépend à la fois des paramètres du matériau et de la structure. La formule dérivée démontre que les paramètres de flexibilité sont inversement proportionnels à la largeur de la charnière, tandis que des paramètres tels que le rayon de cercle droit, l'axe semi-majeur de l'ellipse, l'axe semi-minor et l'épaisseur minimale influencent également la flexibilité. Grâce à l'analyse, il est observé que la flexibilité diminue avec une augmentation de l'axe semi-minière de l'ellipse, augmente avec une diminution de l'épaisseur minimale et change non linéaire avec une épaisseur variable. L'influence de l'épaisseur minimale sur la flexibilité se révèle plus importante par rapport aux autres paramètres.

Une comparaison est établie entre la charnière flexible hybride de cercle droit unilatérale et la charnière hybride à écrcle droit à double face à deux côtés proposé dans la littérature antérieure. La flexibilité est identifiée comme la caractéristique la plus vitale des charnières flexibles, et un rapport de flexibilité relatif, désigné comme Cday, est introduit pour comparer les deux modèles de charnière. L'analyse révèle que la charnière flexible hybride unilatérale présente une plus grande capacité de rotation et une sensibilité à la charge par rapport à la conception bilatérale. La flexibilité de la charnière flexible hybride unilatérale est environ 1,37 fois plus élevée que celle de la conception bilatérale.

Cette étude présente une analyse complète de la charnière flexible hybride unilatérale, une conception de charnière flexible innovante qui offre des structures compactes et de grands déplacements. La formule de calcul de flexibilité dérivée est validée par analyse par éléments finis, démontrant une erreur à 8%. L'influence des paramètres structurels sur la flexibilité est analysée, avec l'épaisseur minimale de la charnière identifiée comme le paramètre le plus influent. De plus, une comparaison avec la charnière bilatérale hybride flexible met en évidence les performances supérieures de la conception unilatérale en termes de capacité de rotation et de sensibilité à la charge. La charnière flexible hybride unilatérale proposée ouvre de nouvelles possibilités pour l'application d'ingénierie de charnières flexibles dans diverses industries.