柔軟なヒンジと柔軟な身体メカニズムの設計最適化の理論的基盤に関する研究1

要約：この研究は、まっすぐなビーム丸い屈曲ヒンジの柔軟性マトリックスの研究に焦点を当てています。 ヒンジの面内変形のための分析計算方法は、カンチレバービーム理論に基づいて導出されます。 柔軟性マトリックスの閉ループ分析モデルが確立されており、コーナーの半径とヒンジの厚さを考慮すると、柔軟性マトリックスの単純化された計算式が提供されます。 さらに、分析モデルの精度を検証するために、ヒンジの有限要素モデルが開発されています。 柔軟性マトリックスパラメーターの分析値とシミュレーション値の間の相対誤差は、異なるヒンジ構造パラメーターについて分析されます。 結果は、分析モデルが正確であり、相対的なエラーが許容範囲内で制御できることを示しています。

柔軟なヒンジは、高運動解像度、摩擦なし、および単純な製造プロセスの利点により、精密デバイスで広く使用されています。 これらのヒンジは、モーション、力、またはエネルギーを伝達または変換するために独自の弾性変形に依存しており、剛性成分の必要性を排除します。 柔軟なヒンジの重要なパラメーターは、その動的特性とエンドポジショニングの精度に直接影響します。 以前の研究では、さまざまな種類の柔軟なヒンジに焦点を当ててきましたが、まっすぐなビームの丸い屈曲ヒンジについては限られた研究が行われています。 このペーパーは、このようなヒンジの柔軟性マトリックスを研究することにより、この研究のギャップを埋めることを目的としています。

1. ストレートビームの丸い柔軟なヒンジの柔軟性マトリックス：

ストレートビームの丸い柔軟なヒンジは、ストレス集中を避けるために丸い角を持つシート構造です。 ヒンジの幾何学的パラメーターには、高さ、長さ、厚さ、およびフィレの半径が含まれます。 ヒンジの柔軟性マトリックスの閉ループ分析モデルは、面内変形のための派生分析計算方法に基づいて確立されます。 柔軟性マトリックスパラメーターは、異なるヒンジ構造パラメーターについて分析され、分析値とシミュレーション値の間の相対誤差が計算されます。

2. 柔軟性マトリックスの有限要素検証：

分析モデルの精度を検証するために、ヒンジの有限要素モデルがUGNX Nastranソフトウェアを使用して作成されます。 単位力/モーメントを搭載したヒンジのシミュレーション結果は、分析値と比較されます。 柔軟性マトリックスパラメーターの分析値とシミュレーション値の間の相対誤差は、ヒンジの長さと厚さ（l/t）とコーナー半径から厚さ（r/t）の異なる比率について分析されます。

2.1柔軟性マトリックスパラメーターに対するL/Tの効果：

柔軟性マトリックスパラメーターの分析値とシミュレーション値の相対誤差は、比率が4以上の場合5.5％以内であることがわかります。 4未満の比率の場合、細いビーム仮定の制限により、相対誤差が大幅に増加します。 したがって、閉ループ分析モデルは、L/T比が大きいヒンジに適しています。

2.2柔軟性マトリックスパラメーターに対するR/Tの効果：

柔軟性マトリックスパラメーターの分析値とシミュレーション値の間の相対誤差は、比率r/tの増加とともに増加します。 0.1〜0.5の比率の場合、相対誤差は9％以内に制御できます。 0.2〜0.3の比率の場合、相対誤差は6.5％以内に制御できます。

2.3 r/tが単純化された柔軟性マトリックスパラメーターに対する効果：

比率r/tを考慮して、柔軟性マトリックスパラメーターの単純化された分析式が提供されます。 単純化された分析値とシミュレーション値の間の相対的な誤差は、比率R/Tの増加とともに増加します。 0.3〜0.2の比率の場合、相対誤差はそれぞれ9％と7％以内に制御できます。

ストレートビームの丸い屈曲ヒンジの柔軟性マトリックスの開発された閉ループ分析モデルは、柔軟なヒンジとメカニズムの設計と最適化の理論的基礎を提供します。 モデルの精度は有限要素シミュレーションを通じて検証され、相対誤差は異なるヒンジ構造パラメーターの許容範囲内にあります。 この研究は、さまざまな精度デバイスでのストレートビーム丸い屈曲ヒンジの理解と適用に貢献しています。