Modèle cinématique et recherche sur les performances de la rigidité zéro croix rosel flexible hinge_hinge

Le mécanisme flexible est un concept révolutionnaire dans le domaine de la mécanique, car il utilise la déformation élastique des matériaux pour transmettre le mouvement, la force ou l'énergie. Ce mécanisme a gagné en popularité dans diverses industries, notamment le positionnement de précision, le traitement MEMS et l'aérospatiale, en raison de ses nombreux avantages tels que la friction zéro, le fonctionnement transparent, la maintenance facile, la haute résolution et les capacités de traitement intégrées.

Cependant, les mécanismes rigides traditionnels dominent toujours le marché en raison de certaines limites du mécanisme flexible. L'une de ces limites est la rigidité positive qui se produit dans la direction fonctionnelle pendant l'action du mécanisme. Cette rigidité positive nécessite une force motrice plus importante et des exigences strictes sur le conducteur, ce qui réduit finalement l'efficacité du transfert d'énergie. Ces lacunes ont entravé l'application plus large du mécanisme flexible.

Pour surmonter les effets néfastes de la rigidité positive, de nombreux chercheurs ont introduit le concept de rigidité zéro dans le mécanisme flexible. En utilisant intelligemment la rigidité négative pour compenser la rigidité positive, un mécanisme avec une rigidité nul peut être obtenu. Un tel système, également connu comme un mécanisme d'équilibre statique flexible, peut atteindre un état d'équilibre statique à tout moment de l'amplitude des mouvements. Ce type de mécanisme offre plusieurs avantages, y compris d'excellentes performances de transmission de force, la capacité de fonctionner avec des forces motrices plus petites et une efficacité de transmission à haute énergie. Par conséquent, la recherche de recherche dans le domaine des mécanismes d'équilibre statique flexibles a été principalement sur des micro-clamps flexibles.

Parmi les différents composants des mécanismes flexibles, les charnières flexibles ont reçu une attention significative en raison de leurs caractéristiques exceptionnelles. Le voyage relatif des charnières flexibles généralisées à l'échelle croisée est relativement courte, ce qui les rend très précieuses pour un large éventail d'applications. Par conséquent, la charnière flexible zéro-stiffness basée sur cette conception est devenue le choix préféré pour construire des mécanismes d'équilibre statique flexibles complexes, ce qui rend ses recherches très significatives.

Pour obtenir des caractéristiques de rigidité nulles dans les charnières flexibles, il est nécessaire de compenser la rigidité positive en torsion avec une rigidité négative en rotation. À cet égard, un modèle de rigidité négatif en rotation a été développé. Le modèle consiste à utiliser un ressort à feuilles composé de deux roseaux qui se chevauchent, l'un fixe et l'autre libre. Lorsque la déformation de l'extrémité d'ouverture est relativement faible par rapport à la longueur de l'anche, le ressort présente une bonne linéarité et peut être analysé comme un ressort de longueur zéro.

L'analyse du modèle de rigidité négative en rotation considère les couples exercés par les deux ressorts sur un point spécifique du système. Sur la base de la loi triangulaire sinusoïdale, les couples peuvent s'exprimer mathématiquement. En combinant ces couples, le couple total exercé sur le point peut être déterminé. Cette analyse révèle que lorsque l'angle de rotation est inférieur à 90 degrés, les ressorts exercent un couple dans le même sens que l'angle de rotation, créant ainsi une rigidité négative en rotation.

Pour établir un modèle de charnière flexible zéro-stiffness précis, il est crucial d'analyser les propriétés mécaniques de la charnière flexible croisée généralisée. Cette analyse examine divers facteurs tels que l'influence de la force radiale et de la charge de torsion pure sur la rigidité en torsion de la charnière. En comprenant ces facteurs, la rigidité en torsion sans dimension des charnières peut être calculée. Le modèle conceptuel de la charnière flexible zéro-stiffness peut ensuite être obtenu en remplaçant la paire tournante et les ressorts d'équilibre dans le modèle de rigidité négatif en rotation. Ce modèle conceptuel est symétrique, permettant l'analyse de la rotation dans le sens antihoraire de la plate-forme mobile.

Pour vérifier la précision du modèle théorique, une analyse d'éléments finis à l'aide du logiciel ANSYS est effectuée. L'analyse consiste à simuler et à analyser les caractéristiques de l'angle de rotation du moment de la charnière flexible zéro-stiffness. Les résultats sont ensuite comparés aux calculs théoriques. La simulation est effectuée sur des charnières avec différents paramètres, et la rigidité du ressort d'équilibre est progressivement ajustée jusqu'à ce que la rigidité de la charnière soit réduite à zéro. En comparant les résultats de la simulation et les calculs théoriques, il est confirmé que le modèle théorique représente avec précision le comportement de la charnière flexible zéro-stiffness.

De plus, la faisabilité de l'utilisation de ressorts à feuilles comme ressorts d'équilibre dans des charnières flexibles zéro-stiffness est explorée. Un modèle d'éléments finis est établi à cette fin, et les résultats de simulation sont comparés à ceux obtenus à l'aide de l'élément combinée14. Les résultats valident une fois de plus la précision et la fiabilité du modèle théorique.

En conclusion, l'utilisation de la rigidité négative en rotation pour compenser la rigidité positive dans les charnières flexibles permet la création de systèmes de charnière flexibles zéro-stiffness. Ces systèmes offrent de nombreux avantages, notamment un couple de conduite réduit, des performances de transmission de force améliorées et une efficacité accrue de l'utilisation de l'énergie. Deux méthodes d'équilibre différentes, à savoir les ressorts à double bilan et les ressorts à équilibre unique, sont analysés et leurs conditions d'équilibre statique sont déterminées. Les résultats théoriques sont ensuite vérifiés par analyse par éléments finis. L'étude confirme que la méthode de printemps à double équilibre convient aux scénarios où la force radiale n'affecte pas la rigidité de la charnière, tandis que le modèle de ressort à équilibre unique a une gamme plus large d'applications. Cependant, la compacité de l'espace axial de ce dernier modèle est quelque peu compromise, nécessitant une considération complète pendant la conception structurelle. Dans l'ensemble, les recherches sur les charnières flexibles zéro-stiffness et leurs applications ont une importance significative dans la progression du domaine des mécanismes flexibles.