חישוב גמישות וניתוח ביצועים של Hybri חדש חד-צדדי חד צדדי1

תַקצִיר:

צירים גמישים ממלאים תפקיד מכריע בתחום המערכות המיקרו-אלקטרומכניות (MEMS). מאמר זה מציג סוג חדש של ציר גמיש הנקרא ציר גמיש חד-צדדי חד-עגול ישר גמיש. הגמישות של ציר זה מחושבת באמצעות המשפט השני של קארל, והתוצאות מאומתות באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים. הפרמטרים המבניים של הציר מנותחים כדי לקבוע את השפעתם על גמישותו. השוואה נעשית גם בין הצירים הגמישים ההיברידיים החד-צדדיים-דו-צדדיים-דו-צדדיים, ומסקנה כי הציר החד צדדי מציע יכולת סיבוב טובה יותר ורגישות לעומס. בסך הכל, הציר הגמיש ההיברידי החד-צדדי מספק פיתרון מבטיח ליישומים קומפקטיים ועקירה מאוד בהנדסה.

בשדות המתפתחים במהירות של טכנולוגיה מיקרו-אלקטרומכנית, תעופה וחלל והנדסה ביולוגית, מנגנונים נוקשים מסורתיים כבר לא מספיקים בכדי לעמוד בדרישות התכנון והשימוש. מנגנונים גמישים, עם גודלם הקטן, היעדר חיכוך מכני ופערים ורגישות לתנועה גבוהה, צברו מתיחה משמעותית בתחומים שונים, כולל מכונות, רובוטיקה, מחשבים, שליטה אוטומטית ומדידת דיוק. מרכיב המפתח במנגנונים גמישים הוא הציר הגמיש, המשתמש בתכונות עיוות אלסטיות ותכונות התאוששות עצמית כדי לבטל תנועה אבודה וחיכוך מכני, ובכך להשיג רזולוציה גבוהה יותר של תזוזה. ניתן לסווג צירים גמישים עם ציר יחיד על בסיס צורות חתך רוחב שלהם, כמו קשת, זווית עופרת, אליפסה, פרבולה והיפרבולה. בין אלה, צירי הזווית הישר והעופרת נמצאים בשימוש נרחב בגלל המבנים הפשוטים שלהם. עם זאת, במקרים מסוימים שבהם מוגבלת המרחב, הצורך במבנים קומפקטיים הוביל להופעתם של צירים גמישים חד צדדיים, שמצאו יישומים נרחבים במדידת דיוק ומיקום. על סמך היתרונות של צירים היברידיים וחד -צדדיים גמישים, מאמר זה מציע ציר גמיש היברידי חד -צדדי, המציע גישה חדשה ליישום הנדסי של צירים גמישים עם מבנים קומפקטיים ועקירות גדולות.

חישוב גמישות של ציר גמיש היברידי חד-צדדי-עגול ישר:

הציר הגמיש היברידי החד-צדדי-עגול ישר כולל מחצית ציר ישר חד-צדדי וחצי ציר אליפטי חד צדדי. הפרמטרים הגיאומטריים שלו כוללים רוחב ציר (B), עובי מינימלי (T), רדיוס מעגל ישר (R), אורך ציר (L), ציר עיקרי של האליפסה (M) וציר חצי המינור של האליפסה (N). הניתוח של הציר הגמיש מבוסס על ההנחה של קרן שלוחה מעוטרת קטנה, כאשר הקצה הנכון קבוע ועיוות כיפוף הנגרם מכוח ורגע. ההשפעה של העומס הצירי נחשבת ואילו השפעות הגזירה והפיתול מוזנחות. על פי המשפט השני של הקסטה, ניתן לקבוע את הקשר בין עיוות הציר בנקודה 1 לבין העומס המופעל. נוסחת חישוב הגמישות נגזרת על בסיס קשר זה ועל הקואורדינטות של חתך הרוחב של הציר. באמצעות חישובים אינטגרליים, ניתן להשיג את הגמישות של הציר הגמיש ההיברידי החד-צדדי-עגול ישר.

חישוב דוגמה ואימות אלמנטים סופיים:

חישוב דוגמה מתבצע באמצעות נוסחת חישוב הגמישות הנגזרת לערכים שונים של ציר חצי המינור (N) של האליפסה. התוצאות מושוות לתוצאות ניתוח האלמנטים הסופיים (FEA) כדי לאמת את הדיוק של הנוסחה. השגיאה בין שתי קבוצות התוצאות נמצאת פחות מ- 8%, ומאשרת את תוקף הנוסחה של חישוב הגמישות.

ניתוח ביצועים של הציר הגמיש ההיברידי החד-צדדי-עגול ישר:

הגמישות של הציר מושפעת מהפרמטרים החומריים והמבניים שלו. נוסחת חישוב הגמישות מגלה כי המודולוס האלסטי (E) הוא ביחס הפוך לרוחב הציר (B). פרמטרים אחרים, כמו רדיוס מעגל ישר (R), ציר חצי-מג'ור של האליפסה (מ '), ציר חצי מינור של האליפסה (N) ועובי המינימום (T), משפיעים גם הם על הגמישות. ניתוח של נוסחת חישוב הגמישות מראה כי הפרמטרים שלה רגישים ביותר לשינויים בעובי המינימום (T) של הציר.

השוואת ביצועים עם ציר גמיש היברידי דו-צדדי ישר:

הציר הגמיש ההיברידי החד-צדדי-עגול ישר משוות עם הציר הגמיש היברידי היברידי-צדדי דו-צדדי המוצע בספרות. יחס הגמישות משמש כמדד ביצועים, המוגדר כיחס בין הגמישות החד -צדדית לגמישות הדו -צדדית. התוצאות מראות כי הציר הגמיש ההיברידי החד -צדדי מציע יכולת סיבוב טובה יותר ורגישות עומס בהשוואה לציר ההיברידי הדו -צדדי.

ההצעה של סוג חדש של ציר גמיש, הציר הגמיש ההיברידי החד -צדדי, מביאה אפשרויות חדשות ליישומים הנדסיים הדורשים מבנים קומפקטיים ועקירות גדולות. נוסחת חישוב הגמישות נגזרת על בסיס המשפט השני של קארל ותוקף באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים. נראה כי הפרמטרים המבניים של הציר משפיעים על גמישותו, כאשר עובי המינימום מפעיל את ההשפעה המשמעותית ביותר. הציר הגמיש ההיברידי החד -צדדי מתפקד טוב יותר מהציר ההיברידי הדו -צדדי מבחינת יכולת הסיבוב ורגישות העומס. בסך הכל, הציר הגמיש ההיברידי החד -צדדי מציע סיכויים מבטיחים ליישומים הנדסיים שונים.