Calcolo della flessibilità e analisi delle prestazioni di un nuovo ibri di ellipse a cerchio dritto singolo1

Astratto:

Le cerniere flessibili svolgono un ruolo cruciale nel campo dei sistemi microelettromeccanici (MEMS). Questo documento introduce un nuovo tipo di cerniera flessibile chiamata cerniera flessibile ibrida a carenatura dritta singola. La flessibilità di questa cerniera viene calcolata usando il secondo teorema di Karl e i risultati vengono validati attraverso l'analisi degli elementi finiti. I parametri strutturali della cerniera vengono analizzati per determinare la loro influenza sulla sua flessibilità. Viene inoltre fatto un confronto tra le cerniere flessibili ibride flessibili ibride a cerchio singolo e a doppio lato e si è concluso che la cerniera a faccia singola offre una migliore capacità di rotazione e sensibilità al carico. Nel complesso, la cerniera flessibile ibrida a faccia singola fornisce una soluzione promettente per applicazioni compatte e altamente spostate in ingegneria.

Nei campi in rapida evoluzione della tecnologia microelettromeccanica, l'ingegneria aerospaziale e biologica, i meccanismi rigidi tradizionali non sono più sufficienti per soddisfare i requisiti di progettazione e utilizzo. I meccanismi flessibili, con le loro dimensioni ridotte, l'assenza di attrito meccanico e lacune e un'elevata sensibilità al movimento, hanno guadagnato una trazione significativa 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 utilizza la deformazione elastica e le proprietà di auto-recupero per eliminare il movimento perso e l'attrito meccanico, ottenendo così una maggiore risoluzione di spostamento. Le cerniere flessibili a singolo asse possono essere classificate in base alle loro forme trasversali, come ARC, angolo di piombo, ellisse, parabola e tipi di iperbole. Tra questi, le cerniere ad angolo di piombo e ad angolo di piombo sono ampiamente utilizzate a causa delle loro semplici strutture. Tuttavia, in alcuni casi in cui lo spazio è vincolato, la necessità di strutture compatte ha portato all'emergere di cerniere flessibili a faccia singola, che hanno trovato ampie applicazioni nella misurazione e nel posizionamento di precisione. Basandosi sui vantaggi delle cerniere flessibili ibride e unilaterali, questo documento propone una cerniera flessibile ibrida unilaterale, che offre un nuovo approccio all'applicazione ingegneristica di cerniere flessibili con strutture compatte e sfollamenti di grandi dimensioni.

Calcolo della flessibilità della cerniera flessibile flessibile ibrida unilaterale a cumulo.:

La cerniera flessibile flessibile unilaterale di Ellipse-Ellipse-Ellipse comprende la metà di una cerniera unilaterale del cerchio dritto e la metà di una cerniera ellittica unilaterale. I suoi parametri geometrici includono la larghezza della cerniera (B), lo spessore minimo (T), il raggio del cerchio dritto (R), la lunghezza della cerniera (L), l'asse maggiore dell'ellisse (M) e l'asse semi-minore dell'ellisse (N). L'analisi della cerniera flessibile si basa sull'assunzione di un raggio a sbalzo deformato a piccolo, con l'estremità destra fissa e la deformazione di flessione causata dalla forza e dal momento. Viene considerata l'influenza del carico assiale, mentre gli effetti di taglio e torsione vengono trascurati. Secondo il secondo teorema della cassetta, è possibile determinare la relazione tra la deformazione della cerniera al punto 1 e il carico applicato. La formula di calcolo della flessibilità è derivata in base a questa relazione e alle coordinate della sezione trasversale della cerniera. Attraverso i calcoli integrali, è possibile ottenere la flessibilità della cerniera flessibile unilaterale a cumulo dritto-ellipse.

Esempio di calcolo e verifica degli elementi finiti:

Un calcolo di esempio viene eseguito utilizzando la formula di calcolo della flessibilità derivata per diversi valori dell'asse semi-minore (n) dell'ellisse. I risultati vengono confrontati con i risultati di analisi degli elementi finiti (FEA) per verificare l'accuratezza della formula. L'errore tra i due set di risultati risulta essere inferiore all'8%, confermando la validità della formula di calcolo della flessibilità.

Analisi delle prestazioni della cerniera flessibile ibrida unilaterale di dripse-ellipse:

La flessibilità della cerniera è influenzata dal suo materiale e dai parametri strutturali. La formula di calcolo della flessibilità rivela che il modulo elastico (E) è inversamente proporzionale alla larghezza della cerniera (B). Altri parametri, come il raggio del cerchio dritto (R), l'asse semi-major dell'ellisse (M), l'asse semi-minore dell'ellisse (N) e lo spessore minimo (T), influenzano anche la flessibilità. Un'analisi della formula di calcolo della flessibilità mostra che i suoi parametri sono più sensibili alle variazioni dello spessore minimo (t) della cerniera.

Confronto per le prestazioni con cerniera flessibile bilaterale a cumulo dritto-ellipse:

La cerniera flessibile flessibile unilaterale di elpse-elpse-ellipse viene confrontato con la cerniera flessibile ibrida a doppia faccia di elpse-ellipse proposta in letteratura. Il rapporto di flessibilità viene utilizzato come indice di prestazione, definito come il rapporto tra flessibilità unilaterale e flessibilità bilaterale. I risultati mostrano che la cerniera flessibile ibrida unilaterale offre una migliore capacità di rotazione e sensibilità al carico rispetto alla cerniera ibrida bilaterale.

La proposta di un nuovo tipo di cerniera flessibile, la cerniera flessibile ibrida unilaterale, offre nuove possibilità per applicazioni ingegneristiche che richiedono strutture compatte e spostamenti di grandi dimensioni. La formula di calcolo della flessibilità è derivata in base al secondo teorema di Karl e validata attraverso l'analisi degli elementi finiti. I parametri strutturali della cerniera hanno un impatto sulla sua flessibilità, con lo spessore minimo che esercita l'influenza più significativa. La cerniera flessibile ibrida unilaterale funziona meglio della cerniera ibrida bilaterale in termini di capacità di rotazione e sensibilità al carico. Nel complesso, la cerniera flessibile ibrida unilaterale offre prospettive promettenti per varie applicazioni di ingegneria.