Recherche sur la base théorique de l'optimisation de la conception des charnières flexibles et des mécanismes de corps flexibles

Étendu

Les charnières flexibles ont attiré une attention significative dans les dispositifs de précision en raison de leur capacité à transmettre le mouvement ou l'énergie par une déformation élastique au lieu de composants rigides. Par rapport aux charnières de mouvement traditionnelles, les charnières flexibles offrent des avantages tels que une résolution de mouvement élevée, pas de frottement, pas de lubrification et un processus de fabrication simple. Ils ont été largement utilisés dans divers dispositifs de précision, notamment des lentilles d'objectif de lithographie de projection, des établissements de plaquette de silicium, des microscopes à balayage électronique, des capteurs à distance optique spatiaux et un traitement de précision et ultra-précision. Les paramètres clés des mécanismes conformes, comme les charnières flexibles, ont un impact direct sur les caractéristiques dynamiques et la précision de positionnement de la fin. Par conséquent, des recherches approfondies ont été menées pour comprendre la flexibilité des charnières flexibles. Cet article vise à étudier la matrice de flexibilité des charnières à flexion arrondi à faisceau droit, à analyser ses paramètres et à fournir une base théorique pour leur conception et leur optimisation.

Matrice de flexibilité des charnières de flexion arrondi à faisceau droit:

La charnière à flexion arrondi à faisceau droit se compose d'une structure de feuille de faisceau droit avec des coins arrondis aux extrémités de la charnière pour éviter la concentration de contrainte. Les principaux paramètres géométriques comprennent la hauteur de la charnière (H), la longueur de la charnière (L), l'épaisseur de charnière (T) et le rayon du filet de charnière (R). Pour analyser la déformation dans le plan de la charnière, une méthode de calcul analytique basée sur la théorie du faisceau en porte-à-faux est dérivée. Cette méthode établit un modèle analytique en boucle fermée pour la matrice de flexibilité dans le plan de la charnière flexible. De plus, une formule de calcul simplifiée pour la matrice de flexibilité est fournie lorsque le rapport du rayon d'angle d'articulation à l'épaisseur (R / T) est donné.

Vérification des éléments finis:

Pour valider la formule analytique dérivée, un modèle d'éléments finis de la charnière à flexion arrondie du faisceau droit est établi à l'aide du logiciel UGNX Nastran. Les résultats de simulation du modèle d'éléments finis sont comparés aux valeurs analytiques des paramètres de la matrice de flexibilité. L'erreur relative entre les deux est analysée pour différentes variations des paramètres structurels de la charnière, tels que le rapport de la longueur de la charnière à l'épaisseur (L / T) et le rapport du rayon d'angle d'articulation à l'épaisseur (R / T).

Résultats:

L'analyse montre que pour les rapports L / T supérieurs ou égaux à 4, l'erreur relative entre les valeurs analytiques et simulées de la matrice de flexibilité est à 5,5%. Cependant, pour les rapports L / T inférieurs à 4, l'erreur relative est relativement importante en raison de l'incapacité de simplifier le faisceau en porte-à-faux en un faisceau mince. Cela indique que le modèle analytique en boucle fermée est plus adapté aux grands cas L / T.

En ce qui concerne le rapport R / T, l'analyse révèle que lorsque 0,1 ≤ r / t ≤ 0,5, l'erreur relative entre les valeurs analytiques et simulées peut être contrôlée à moins de 9%. De plus, lorsque 0,2 ≤ r / t ≤ 0,3, l'erreur relative peut être contrôlée à 6,5%. Ces résultats démontrent la précision et l'applicabilité du modèle analytique en boucle fermée pour la matrice de flexibilité.

Le modèle analytique en boucle fermée développé dans cette étude fournit une base théorique pour la conception et l'optimisation des charnières de flexion arrondi à faisceau droit. L'analyse a démontré que le modèle peut prédire avec précision les paramètres de matrice de flexibilité lors de l'examen des variations de la longueur de la charnière, de l'épaisseur et du rayon d'angle. Ces résultats contribueront à l'avancement des mécanismes conformes et à leurs applications dans les dispositifs de précision.