Fleksibilitetsberegning og ytelsesanalyse av en ny ensidig rett sirkel-ellipse hybri

Abstrakt:

Fleksible hengsler har fått betydelig popularitet innen mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Denne artikkelen introduserer en ny type fleksibelt hengsel, nemlig den ensidige rettkrets-ellipse hybrid fleksibelt hengsel. Å utnytte Karls andre teorem, en beregningsformel for fleksibiliteten i sirkulære og elliptiske hybridfleksible hengsler. Den avledede formelen er validert gjennom endelig elementanalyse og komparativ analyse. Effekten av hver strukturelle parameter for det ensidige hybridfleksible hengslet på fleksibiliteten blir analysert. Videre blir en sammenligning gjort med den tosidige rette sirkel-ellipse hybrid fleksible hengsel for å demonstrere den overordnede rotasjonskapasiteten og belastningsfølsomheten til den ensidige designen. Forslaget om ensidig hybrid fleksible hengsler presenterer en ny mulighet for tekniske applikasjoner som krever kompakte strukturer og store forskyvninger.

Fremkomsten av mikroelektromekanisk teknologi, romfartsteknikk og biologisk ingeniørfag har fremhevet begrensningene i tradisjonelle stive mekanismer i møteutforming og brukskrav. Fleksible mekanismer gir mange fordeler som liten størrelse, fravær av mekanisk friksjon, ingen hull og høy bevegelsesfølsomhet. Dette har ført til deres omfattende bruk i forskjellige fagområder, inkludert maskiner, robotikk, datamaskiner, automatisk kontroll og presisjonsmåling. Den viktigste komponenten i fleksible mekanismer er det fleksible hengslet, som eliminerer tapt bevegelse og mekanisk friksjon gjennom elastisk deformasjon og selvgjenvinningsegenskaper, noe som muliggjør høyere forskyvningsoppløsninger. Enkelaksfleksible hengsler er klassifisert i forskjellige former, for eksempel bue, blyvinkel, ellipse, parabola og hyperbola. Blant dem er de rette runde og blyvinkeltypene mye brukt på grunn av deres enkle strukturer. I visse applikasjoner der plassen er begrenset, har ensidig fleksible hengsler imidlertid dukket opp som et foretrukket valg, og finner nytteverdi i presisjonsmåling og posisjonering.

Metoder:

Med utgangspunkt i den nevnte forskningen, foreslår denne studien en ny type fleksibelt hengsel kalt den ensidige hybridfleksible hengslet, som kombinerer fordelene med hybrid og ensidig fleksible hengsler. Formelformelen for fleksibilitet for dette hengslet er avledet basert på Karls andre teorem, og dets ytelse blir bekreftet gjennom endelig elementanalyse. Studien undersøker også påvirkningen av forskjellige strukturelle parametere på hengslene.

Resultater og diskusjon:

Formelen for fleksibilitetsberegning for den ensidige rette sirkel-ellipse hybrid fleksibelt hengsel indikerer at fleksibilitet er avhengig av både material- og strukturelle parametere. Den avledede formelen viser at fleksibilitetsparametere er omvendt proporsjonale med hengslens bredde, mens parametere som rett sirkelradius, ellipse semi-major-akse, halvminoraks og minimum tykkelse også påvirker fleksibiliteten. Gjennom analyse observeres det at fleksibiliteten avtar med en økning i semi-minoraksen til ellipsen, øker med en reduksjon i minimumstykkelsen og endres ikke-lineært med varierende tykkelse. Påvirkningen av minimumstykkelse på fleksibilitet er funnet å være mer betydelig sammenlignet med andre parametere.

En sammenligning trekkes mellom den ensidige rette sirkel-ellipse-hybrid fleksible hengslet og den tosidige rettsirkel-ellipse hybrid fleksibelt hengsel foreslått i tidligere litteratur. Fleksibilitet identifiseres som den mest vitale egenskapen til fleksible hengsler, og et relativt fleksibilitetsforhold, betegnet som Cday, blir introdusert for å sammenligne de to hengslet designene. Analysen avslører at den ensidige hybridfleksible hengslet viser større rotasjonskapasitet og belastningsfølsomhet sammenlignet med den bilaterale designen. Fleksibiliteten til den ensidige hybridfleksible hengslet er omtrent 1,37 ganger høyere enn den for den bilaterale designen.

Denne studien presenterer en omfattende analyse av den ensidige hybridfleksible hengslet, et innovativt fleksibelt hengselutforming som tilbyr kompakte strukturer og store forskyvninger. Den avledede fleksibilitetsberegningsformelen er validert gjennom endelig elementanalyse, og viser en feil innen 8%. Påvirkningen av strukturelle parametere på fleksibilitet analyseres, med minimumstykkelsen på hengslet identifisert som den mest innflytelsesrike parameteren. Videre fremhever en sammenligning med det bilaterale hybridfleksible hengslet den overlegne ytelsen til den ensidige utformingen når det gjelder rotasjonskapasitet og belastningsfølsomhet. Det foreslåtte ensidige hybridfleksible hengslet åpner for nye muligheter for teknisk anvendelse av fleksible hengsler i forskjellige bransjer.