Flexibiliteitsberekening en prestatieanalyse van een nieuwe enkelzijdige recht-circle-ellips hybri

Abstract:

Flexibele scharnieren hebben een aanzienlijke populariteit gewonnen op het gebied van micro-elektromechanische systemen (MEMS). Dit artikel introduceert een nieuw type flexibel scharnier, namelijk de enkelzijdige rechte circle-reklips hybride flexibele scharnier. Het gebruik van Karl's tweede stelling, een computationele formule voor de flexibiliteit van cirkelvormige en elliptische hybride flexibele scharnieren wordt voorgesteld. De afgeleide formule wordt gevalideerd door middel van eindige elementenanalyse en vergelijkende analyse. De impact van elke structurele parameter van de unilaterale hybride flexibele scharnier op de flexibiliteit wordt geanalyseerd. Bovendien wordt een vergelijking gemaakt met de dubbelzijdige recht-cirkel-reklips hybride flexibele scharnier om de superieure rotatiecapaciteit en belastingsgevoeligheid van het unilaterale ontwerp aan te tonen. Het voorstel van unilaterale hybride flexibele scharnieren presenteert een nieuwe weg voor technische toepassingen die compacte structuren en grote verplaatsingen vereisen.

De komst van micro-elektromechanische technologie, ruimtevaarttechniek en biologische engineering heeft de beperkingen benadrukt van traditionele rigide mechanismen bij het voldoen aan design- en gebruikseisen. Flexibele mechanismen bieden talloze voordelen, zoals kleine omvang, afwezigheid van mechanische wrijving, geen gaten en hoge bewegingsgevoeligheid. Dit heeft geleid tot hun uitgebreide gebruik in verschillende disciplines, waaronder machines, robotica, computers, automatische controle en precisiemeting. Het belangrijkste onderdeel van flexibele mechanismen is het flexibele scharnier, dat verloren beweging en mechanische wrijving elimineert door elastische vervorming en zelfhersteleigenschappen, waardoor hogere verplaatsingsresoluties mogelijk zijn. Flexibele scharnieren van enkele as worden ingedeeld in verschillende vormen, zoals boog, loodhoek, ellips, parabola en hyperbool. Onder hen worden de straight-round en loodhoektypen veel gebruikt vanwege hun eenvoudige structuren. In bepaalde toepassingen waar de ruimte beperkt is, zijn een enkelzijdige flexibele scharnieren echter naar voren gekomen als een voorkeurskeuze, het vinden van hulpprogramma bij precisiemeting en positionering.

Methoden:

Voortbouwend op het bovengenoemde onderzoek, stelt deze studie een nieuw type flexibel scharnier voor dat het unilaterale hybride flexibele scharnier wordt genoemd, dat de voordelen van hybride en unilaterale flexibele scharnieren combineert. De flexibiliteitsberekeningsformule voor dit scharnier wordt afgeleid op basis van de tweede stelling van Karl en de prestaties ervan worden geverifieerd door middel van eindige elementanalyse. De studie onderzoekt ook de invloed van verschillende structurele parameters op de flexibiliteit van het scharnier.

Resultaten en discussie:

De flexibiliteitsberekeningsformule voor de unilaterale rechte cirkel-cirkellips hybride flexibele scharnier geeft aan dat flexibiliteit afhankelijk is van zowel materiaal als structurele parameters. De afgeleide formule toont aan dat flexibiliteitsparameters omgekeerd evenredig zijn met de breedte van het scharnier, terwijl parameters zoals rechte cirkelstraal, ellips semi-major-as, semi-minieras en minimale dikte ook de flexibiliteit beïnvloeden. Door analyse wordt waargenomen dat de flexibiliteit afneemt met een toename van de semi-minderjarige as van de ellips, neemt toe met een afname van de minimale dikte en verandert niet-lineair met variërende dikte. De invloed van minimale dikte op flexibiliteit blijkt belangrijker te zijn in vergelijking met andere parameters.

Een vergelijking wordt getekend tussen de unilaterale rechte cirkel-reklips hybride flexibele scharnier en het dubbelzijdige rechte cirkel-reklips hybride flexibele scharnier voorgesteld in eerdere literatuur. Flexibiliteit wordt geïdentificeerd als het meest vitale kenmerk van flexibele scharnieren, en een relatieve flexibiliteitsratio, aangeduid als CDay, wordt geïntroduceerd om de twee scharnierontwerpen te vergelijken. Uit de analyse blijkt dat het unilaterale hybride flexibele scharnier een grotere rotatiecapaciteit en belastingsgevoeligheid vertoont in vergelijking met het bilaterale ontwerp. De flexibiliteit van het unilaterale hybride flexibele scharnier is ongeveer 1,37 keer hoger dan die van het bilaterale ontwerp.

Deze studie presenteert een uitgebreide analyse van het unilaterale hybride flexibele scharnier, een innovatief flexibel scharnierontwerp dat compacte structuren en grote verplaatsingen biedt. De afgeleide flexibiliteitsberekeningsformule wordt gevalideerd door middel van eindige elementenanalyse, wat een fout binnen 8%aantoont. De invloed van structurele parameters op flexibiliteit wordt geanalyseerd, met de minimale dikte van het scharnier geïdentificeerd als de meest invloedrijke parameter. Bovendien benadrukt een vergelijking met het bilaterale hybride flexibele scharnier de superieure prestaties van het unilaterale ontwerp in termen van rotatiecapaciteit en belastingsgevoeligheid. Het voorgestelde unilaterale hybride flexibele scharnier opent nieuwe mogelijkheden voor de technische toepassing van flexibele scharnieren in verschillende industrieën.