Jauna vienpusēja taisna apļa-elipses hybri elastības aprēķins un veiktspējas analīze1

Abstrakts:

Elastīgām eņģēm ir izšķiroša loma mikroelektromehānisko sistēmu (MEMS) jomā. Šis raksts iepazīstina ar jauna veida elastīgu eņģi, ko sauc par vienpusēju taisna apļa-elipses hibrīda elastīgu eņģi. Šīs eņģes elastība tiek aprēķināta, izmantojot Kārļa otro teorēmu, un rezultāti tiek apstiprināti, izmantojot galīgo elementu analīzi. Eņģes strukturālie parametri tiek analizēti, lai noteiktu to ietekmi uz tās elastību. Tiek veikts arī salīdzinājums starp vienpusējām un divpusējām taisna apļa-elipses hibrīda elastīgām eņģēm, un tiek secināts, ka vienpusējā eņģe piedāvā labāku rotācijas spēju un slodzes jutīgumu. Kopumā vienpusējā hibrīda elastīgā eņģe nodrošina daudzsološu risinājumu kompaktam un ļoti pārvietojamam lietojumam inženierzinātnēs.

Strauji mainīgajos mikroelektromehāniskās tehnoloģijas, kosmiskās aviācijas un bioloģiskās inženierijas laukos tradicionālie stingrie mehānismi vairs nav pietiekami, lai izpildītu projektēšanas un lietošanas prasības. Elastīgi mehānismi ar mazu izmēru, mehāniskās berzes un nepilnību neesamību un augstu kustības jutīgumu ir ieguvuši ievērojamu vilci dažādās disciplīnās, ieskaitot mašīnas, robotiku, datorus, automātisko kontroli un precizitātes mērīšanu. Elastīgo mehānismu galvenā sastāvdaļa ir elastīgā eņģe, kurā tiek izmantotas elastīgās deformācijas un pašas atjaunošanas īpašības, lai novērstu zaudēto kustību un mehānisko berzi, tādējādi sasniedzot augstāku pārvietojuma izšķirtspēju. Vienas ass elastīgās eņģes var klasificēt, pamatojoties uz to šķērsgriezuma formām, piemēram, loka, svina leņķi, elipse, parabola un hiperbola tipiem. Starp tiem taisnas un svina leņķa eņģes tiek plaši izmantotas to vienkāršo struktūru dēļ. Tomēr dažos gadījumos, kad telpa ir ierobežota, nepieciešamība pēc kompaktajām struktūrām ir izraisījusi vienpusēju elastīgu eņģu parādīšanos, kuras ir atradušas plašu pielietojumu precizitātes mērījumos un pozicionēšanā. Balstoties uz hibrīdu un vienpusēju elastīgu eņģu priekšrocībām, šajā dokumentā tiek piedāvāts vienpusējs hibrīda elastīga eņģe, kas piedāvā jaunu pieeju elastīgu eņģu ar kompaktu struktūru un lieliem pārvietojumiem inženiertehniskai izmantošanai.

Vienpusējās taisna apļa-elipses hibrīda elastīgās eņģes elastības aprēķins:

Vienpusējā taisna apļa-elipses hibrīda elastīgā eņģe sastāv no pusi no vienpusējas taisna apļa eņģes un puse no vienpusējas eliptiskas eņģes. Tās ģeometriskie parametri ietver eņģu platumu (b), minimālo biezumu (T), taisna apļa rādiusu (R), eņģu garumu (L), elipses galveno asi (M) un elipses daļēji mīnoras asi (N). Elastīgās eņģes analīze ir balstīta uz pieņēmumu par mazu deformētu konsoles staru kūli ar labo galu fiksētu un lieku deformāciju, ko izraisa spēks un moments. Tiek ņemta vērā aksiālās slodzes ietekme, savukārt bīdes un vērpes ietekme tiek atstāta novārtā. Saskaņā ar otro kasetes teorēmu, var noteikt sakarību starp eņģes deformāciju 1. punktā un pielietoto slodzi. Elastības aprēķina formula tiek iegūta, pamatojoties uz šīm attiecībām un eņģes šķērsgriezuma koordinātām. Izmantojot integrālus aprēķinus, var iegūt vienpusējās taisna apļa elipses hibrīda elastības elastību.

Aprēķina un galīgo elementu verifikācijas piemērs:

Aprēķina piemērs tiek veikts, izmantojot atvasināto elastības aprēķina formulu dažādām elipses daļēji minoras ass (n) vērtībām. Rezultāti tiek salīdzināti ar galīgo elementu analīzes (FEA) rezultātiem, lai pārbaudītu formulas precizitāti. Tiek konstatēts, ka kļūda starp diviem rezultātu kopām ir mazāka par 8%, apstiprinot elastības aprēķina formulas derīgumu.

Vienpusējās taisna apļa elipses hibrīda elastīgās eņģes veiktspējas analīze:

Eņģes elastību ietekmē tās materiālie un strukturālie parametri. Elastības aprēķina formula atklāj, ka elastības modulis (E) ir apgriezti proporcionāls eņģes platumam (b). Arī citi parametri, piemēram, taisna apļa rādiuss (R), elipse (M) daļēji majora ass (n) un minimālais biezums (t), ietekmē arī elastību. Elastības aprēķina formulas analīze parāda, ka tās parametri ir visjutīgākie pret eņģes minimālā biezuma (T) izmaiņām.

Veiktspējas salīdzinājums ar divpusēju taisna apļa-elipses hibrīda elastīgu eņģi:

Vienpusēja taisna apļa-elipses hibrīda elastīgā eņģe tiek salīdzināta ar divpusējo taisna apļa-elipses hibrīda elastīgo eņģi, kas ierosināta literatūrā. Elastības koeficients tiek izmantots kā veiktspējas indekss, kas definēts kā vienpusējās elastības attiecība pret divpusējo elastību. Rezultāti rāda, ka vienpusējā hibrīda elastīgā eņģe piedāvā labāku rotācijas spēju un slodzes jutīgumu, salīdzinot ar divpusējo hibrīda eņģi.

Jauna veida elastīgas eņģes priekšlikums - vienpusēja hibrīda elastīga eņģe rada jaunas iespējas inženiertehniskām lietojumprogrammām, kurām nepieciešama kompakta struktūra un lieli pārvietojumi. Elastības aprēķina formula tiek iegūta, pamatojoties uz Kārļa otro teorēmu, un tiek apstiprināta, izmantojot galīgo elementu analīzi. Tiek konstatēts, ka eņģes strukturālie parametri ietekmē tā elastību, un minimālais biezums rada visnozīmīgāko ietekmi. Vienpusējā hibrīda elastīgā eņģe darbojas labāk nekā divpusējā hibrīda eņģe rotācijas spējas un slodzes jutības ziņā. Kopumā vienpusējā hibrīda elastīgā eņģe piedāvā daudzsološas izredzes dažādiem inženiertehniskiem lietojumiem.