Onderzoek naar theoretische basis van ontwerpoptimalisatie van flexibele scharnieren en flexibele lichaamsmechanismen1

Samenvatting: Dit onderzoek richt zich op het bestuderen van de flexibiliteitsmatrix van de scharnieren van rechte balk afgeronde buiging. De analytische berekeningsmethode voor vervorming in het vlak is afgeleid op basis van de cantileverstraaltheorie. Het gesloten-lus analytische model voor de flexibiliteitsmatrix is ​​vastgesteld en een vereenvoudigde berekeningsformule voor de flexibiliteitsmatrix wordt verstrekt bij het beschouwen van de hoekradius en scharnierdikte. Bovendien wordt een eindig elementmodel van het scharnier ontwikkeld om de nauwkeurigheid van het analytische model te verifiëren. De relatieve fout tussen de analytische en simulatiewaarden van de flexibiliteitsmatrixparameters wordt geanalyseerd op verschillende scharnierstructuurparameters. De resultaten tonen aan dat het analytische model nauwkeurig is en dat de relatieve fouten binnen acceptabele limieten kunnen worden gecontroleerd.

Flexibele scharnieren worden veel gebruikt in precisie -apparaten vanwege hun voordelen van hoge bewegingsresolutie, geen wrijving en eenvoudig productieproces. Deze scharnieren vertrouwen op hun eigen elastische vervorming om beweging, kracht of energie over te dragen of om te zetten, waardoor de behoefte aan rigide componenten wordt geëlimineerd. De belangrijkste parameters van een flexibel scharnier beïnvloeden direct de dynamische kenmerken en de nauwkeurigheid van de eindpositionering. Eerder onderzoek is gericht op verschillende soorten flexibele scharnieren, maar beperkte studies zijn uitgevoerd op rechte balkafgereefde buigingscharnieren. Dit artikel is bedoeld om deze onderzoekskloof op te vullen door de flexibiliteitsmatrix van dergelijke scharnieren te bestuderen.

1. Flexibiliteitsmatrix van rechte straal afgerond flexibele scharnieren:

De revische bundel afgeronde flexibele scharnier is een plaatstructuur met afgeronde hoeken om spanningsconcentratie te voorkomen. De geometrische parameters van het scharnier omvatten hoogte, lengte, dikte en filetradius. Een gesloten-lus analytisch model voor de flexibiliteitsmatrix van het scharnier wordt vastgesteld op basis van de afgeleide analytische berekeningsmethode voor vervorming in het vlak. De flexibiliteitsmatrixparameters worden geanalyseerd op verschillende scharnierstructuurparameters en de relatieve fout tussen de analytische en simulatiewaarden wordt berekend.

2. Eindige elementverificatie van de flexibiliteitsmatrix:

Om de nauwkeurigheid van het analytische model te valideren, wordt een eindig elementmodel van het scharnier gemaakt met behulp van UgNX NASTRAN -software. De simulatieresultaten van het scharnier geladen met eenheidskracht/moment worden vergeleken met de analytische waarden. De relatieve fout tussen de analytische en simulatiewaarden van de flexibiliteitsmatrixparameters wordt geanalyseerd op verschillende verhoudingen van scharnierlengte tot dikte (L/T) en hoekradius tot dikte (R/T).

2.1 Effect van L/T op flexibiliteitsmatrixparameters:

De relatieve fout tussen de analytische en simulatiewaarden van de flexibiliteitsmatrixparameters blijkt binnen 5,5% te zijn wanneer de verhouding L/T groter is dan of gelijk aan 4. Voor verhoudingen van minder dan 4 neemt de relatieve fout aanzienlijk toe als gevolg van de beperkingen van de veronderstelling van de slanke balk. Daarom is het analytische model met gesloten lus geschikt voor scharnieren met grotere L/T-verhoudingen.

2.2 Effect van R/T op flexibiliteitsmatrixparameters:

De relatieve fout tussen de analytische en simulatiewaarden van de flexibiliteitsmatrixparameters neemt toe met de toename van de verhouding R/T. Voor verhoudingen tussen 0,1 en 0,5 kan de relatieve fout binnen 9%worden geregeld. Voor verhoudingen tussen 0,2 en 0,3 kan de relatieve fout binnen 6,5%worden geregeld.

2.3 Effect van R/T op vereenvoudigde flexibiliteitsmatrixparameters:

Vereenvoudigde analytische formules voor de flexibiliteitsmatrixparameters worden verstrekt gezien de verhouding R/T. De relatieve fout tussen de vereenvoudigde analytische waarden en de simulatiewaarden neemt toe met een toename van de verhouding R/T. Voor verhoudingen tussen 0,3 en 0,2 kan de relatieve fout worden geregeld binnen respectievelijk 9% en 7%.

Het ontwikkelde analytische gesloten-lus-model van de flexibiliteitsmatrix voor rechte bundelafgeronde scharnieren biedt een theoretische basis voor het ontwerp en de optimalisatie van flexibele scharnieren en mechanismen. De nauwkeurigheid van het model wordt gevalideerd via eindige -elementensimulaties en de relatieve fouten liggen binnen acceptabele limieten voor verschillende scharnierstructuurparameters. Dit onderzoek draagt ​​bij aan het begrip en de toepassing van rechte balk afgeronde buiging scharnieren in verschillende precisie -apparaten.