Calcolo della flessibilità e analisi delle prestazioni di un nuovo ibri di ellipse a cerchio dritto singolo

Astratto:

Le cerniere flessibili hanno guadagnato una significativa popolarità nel campo dei sistemi microelettromeccanici (MEMS). Questo documento introduce un nuovo tipo di cerniera flessibile, vale a dire la cerniera flessibile ibrida a carenatura a elica a elpa a elpa. Sfrutta il secondo teorema di Karl, viene proposta una formula computazionale per la flessibilità delle cerniere flessibili ibride circolari ed ellittiche. La formula derivata viene validata attraverso l'analisi degli elementi finiti e l'analisi comparativa. Viene analizzato l'impatto di ciascun parametro strutturale della cerniera flessibile ibrida unilaterale sulla sua flessibilità. Inoltre, viene effettuato un confronto con la cerniera flessibile flessibile ibrida a doppia facciata-ellipse per dimostrare la capacità di rotazione superiore e la sensibilità di carico del design unilaterale. La proposta di cardini flessibili ibridi unilaterali presenta una nuova strada per applicazioni ingegneristiche che richiedono strutture compatte e sfollati di grandi dimensioni.

L'avvento della tecnologia microelettromeccanica, dell'ingegneria aerospaziale e dell'ingegneria biologica ha messo in evidenza i limiti dei meccanismi rigidi tradizionali nel soddisfare i requisiti di progettazione e utilizzo. I meccanismi flessibili offrono numerosi vantaggi come dimensioni ridotte, assenza di attrito meccanico, nessun lacune e alta sensibilità al movimento. Ciò ha portato al loro ampio uso in varie discipline, tra cui macchinari, robotica, computer, controllo automatico e misurazione di precisione. Il componente chiave dei meccanismi flessibili è la cerniera flessibile, che elimina il movimento perso e l'attrito meccanico attraverso la deformazione elastica e le proprietà di auto-recupero, consentendo risoluzioni di spostamento più elevate. Le cerniere flessibili a singolo asse sono classificate in varie forme, come arco, angolo di piombo, ellisse, parabola e iperbol. Tra questi, i tipi di angolo retta e di piombo sono ampiamente impiegati a causa delle loro semplici strutture. Tuttavia, in alcune applicazioni in cui lo spazio è limitato, i cardini flessibili a faccia singola sono emersi come una scelta preferita, trovando utilità nella misurazione e nel posizionamento di precisione.

Metodi:

Basandosi sulla ricerca di cui sopra, questo studio propone un nuovo tipo di cerniera flessibile chiamata cerniera flessibile ibrida unilaterale, che combina i vantaggi delle cerniere flessibili ibride e unilaterali. La formula di calcolo della flessibilità per questa cerniera viene derivata in base al secondo teorema di Karl e le sue prestazioni sono verificate attraverso l'analisi degli elementi finiti. Lo studio esamina anche l'influenza di vari parametri strutturali sulla flessibilità della cerniera.

Risultati e discussione:

La formula di calcolo della flessibilità per la cerniera flessibile ibrida unilaterale a cumulo dritto-ellipse indica che la flessibilità dipende sia dal materiale che dai parametri strutturali. La formula derivata dimostra che i parametri di flessibilità sono inversamente proporzionali alla larghezza della cerniera, mentre anche parametri come il raggio del cerchio dritto, l'asse semi-major di Ellisse, l'asse semi-minore e lo spessore minimo influenzano la flessibilità. Attraverso l'analisi, si osserva che la flessibilità diminuisce con un aumento dell'asse semi-minore dell'ellisse, aumenta con una diminuzione dello spessore minimo e cambia in modo non lineare con spessore variabile. L'influenza del minimo spessore sulla flessibilità risulta più significativa rispetto ad altri parametri.

Viene disegnato un confronto tra la cerniera flessibile ibrida unilaterale a cianfruscamio dritto e la cerniera flessibile ibrida a doppia faccia di elica retta proposta nella letteratura precedente. La flessibilità è identificata come la caratteristica più vitale dei cardini flessibili e viene introdotto un rapporto di flessibilità relativo, indicato come CDAY, per confrontare i due design della cerniera. L'analisi rivela che la cerniera flessibile ibrida unilaterale presenta una maggiore capacità di rotazione e sensibilità al carico rispetto al design bilaterale. La flessibilità della cerniera flessibile ibrida unilaterale è circa 1,37 volte superiore a quella del design bilaterale.

Questo studio presenta un'analisi completa della cerniera flessibile ibrida unilaterale, un innovativo design a cerniera flessibile che offre strutture compatte e spostamenti di grandi dimensioni. La formula di calcolo della flessibilità derivata viene validata attraverso l'analisi degli elementi finiti, dimostrando un errore entro l'8%. Viene analizzata l'influenza dei parametri strutturali sulla flessibilità, con lo spessore minimo della cerniera identificata come il parametro più influente. Inoltre, un confronto con la cerniera flessibile ibrida bilaterale evidenzia le prestazioni superiori del design unilaterale in termini di capacità di rotazione e sensibilità al carico. La cerniera flessibile ibrida unilaterale proposta apre nuove possibilità per l'applicazione ingegneristica di cerniere flessibili in vari settori.