Calcul de la flexibilité et analyse des performances d'un nouvel hybri à l'ellipse à cercle droit à un seul côté1

Abstrait:

Les charnières flexibles jouent un rôle crucial dans le domaine des systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Cet article présente un nouveau type de charnière flexible appelée charnière flexible hybride à écran direct à un seul côté. La flexibilité de cette charnière est calculée à l'aide du deuxième théorème de Karl, et les résultats sont validés par analyse par éléments finis. Les paramètres structurels de la charnière sont analysés pour déterminer leur influence sur sa flexibilité. Une comparaison est également effectuée entre les charnières flexibles hybrides à écran droit à double face et double face, et il est conclu que la charnière à un seul côté offre une meilleure capacité de rotation et une sensibilité à la charge. Dans l'ensemble, la charnière flexible hybride unique fournit une solution prometteuse pour les applications compactes et hautement déplacées en ingénierie.

Dans les champs en évolution rapide de la technologie micro-électromécanique, de l'aérospatiale et du génie biologique, les mécanismes rigides traditionnels ne sont plus suffisants pour répondre aux exigences de conception et d'utilisation. Les mécanismes flexibles, avec leur petite taille, leur absence de frottement et de lacunes mécaniques, et leur sensibilité élevée au mouvement, ont gagné une traction significative 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 utilise des propriétés de déformation élastique et d'auto-récupération pour éliminer le mouvement perdu et la friction mécanique, atteignant ainsi une résolution de déplacement plus élevée. Les charnières flexibles à axe unique peuvent être classées en fonction de leurs formes transversales, telles que l'arc, l'angle de plomb, l'ellipse, la parabole et les types d'hyperbole. Parmi ceux-ci, les charnières à angle droit et à l'angle de plomb sont largement utilisées en raison de leurs structures simples. Cependant, dans certains cas où l'espace est limité, la nécessité de structures compactes a conduit à l'émergence de charnières flexibles à un seul côté, qui ont trouvé des applications étendues dans la mesure et le positionnement de précision. S'appuyant sur les avantages des charnières flexibles hybrides et unilatérales, cet article propose une charnière flexible hybride unilatérale, qui offre une nouvelle approche à l'application d'ingénierie de charnières flexibles avec des structures compactes et de grands déplacements.

Calcul de la flexibilité de la charnière flexible hybride de cercle droit unilatéral:

La charnière hybride à l'ellipse en cercle droit unilatéral comprend la moitié d'une charnière unilatérale en cercle droit et la moitié d'une charnière elliptique unilatérale. Ses paramètres géométriques comprennent la largeur de la charnière (B), l'épaisseur minimale (T), le rayon du cercle droit (R), la longueur de la charnière (L), l'axe majeur de l'ellipse (M) et l'axe semi-minière de l'ellipse (N). L'analyse de la charnière flexible est basée sur l'hypothèse d'un faisceau de cantilever à petit déformé, avec l'extrémité droite fixe et la déformation de flexion causée par la force et le moment. L'influence de la charge axiale est considérée, tandis que les effets de cisaillement et de torsion sont négligés. Selon le deuxième théorème de la cassette, la relation entre la déformation de la charnière au point 1 et la charge appliquée peut être déterminée. La formule de calcul de flexibilité est dérivée en fonction de cette relation et des coordonnées de la section transversale de la charnière. Grâce à des calculs intégraux, la flexibilité de la charnière hybride de cercle droit unilatérale peut être obtenue.

Exemple de calcul et de vérification des éléments finis:

Un exemple de calcul est effectué en utilisant la formule de calcul de flexibilité dérivée pour différentes valeurs de l'axe semi-minor (n) de l'ellipse. Les résultats sont comparés aux résultats de l'analyse des éléments finis (FEA) pour vérifier la précision de la formule. L'erreur entre les deux ensembles de résultats est inférieure à 8%, confirmant la validité de la formule de calcul de flexibilité.

Analyse des performances de la charnière flexible hybride de cercle droit unilatérale:

La flexibilité de la charnière est influencée par ses paramètres matériels et structurels. La formule de calcul de flexibilité révèle que le module élastique (E) est inversement proportionnel à la largeur de la charnière (b). D'autres paramètres, tels que le rayon de cercle droit (R), l'axe semi-majeur de l'ellipse (M), l'axe semi-minor de l'ellipse (N) et l'épaisseur minimale (T), affectent également la flexibilité. Une analyse de la formule de calcul de flexibilité montre que ses paramètres sont les plus sensibles aux changements de l'épaisseur minimale (t) de la charnière.

Comparaison des performances avec la charnière flexible hybride à écran raide bilatérale:

La charnière hybride de cercle à cercle droit unilatéral est comparée à la charnière flexible hybride à l'éllipse à cercle droit double face proposée dans la littérature. Le rapport de flexibilité est utilisé comme indice de performance, défini comme le rapport de la flexibilité unilatérale à la flexibilité bilatérale. Les résultats montrent que la charnière flexible hybride unilatérale offre une meilleure capacité de rotation et une meilleure sensibilité à la charge par rapport à la charnière hybride bilatérale.

La proposition d'un nouveau type de charnière flexible, la charnière flexible hybride unilatérale, apporte de nouvelles possibilités pour les applications d'ingénierie qui nécessitent des structures compactes et de grands déplacements. La formule de calcul de flexibilité est dérivée sur la base du deuxième théorème de Karl et validée par analyse par éléments finis. On constate que les paramètres structurels de la charnière ont un impact sur sa flexibilité, l'épaisseur minimale exerçant l'influence la plus significative. La charnière flexible hybride unilatérale fonctionne mieux que la charnière hybride bilatérale en termes de capacité de rotation et de sensibilité à la charge. Dans l'ensemble, la charnière flexible hybride unilatérale offre des perspectives prometteuses pour diverses applications d'ingénierie.