Forskning på teoretisk grunnlag for designoptimalisering av fleksible hengsler og fleksible kroppsmekanismer1

ABSTRAKT: Denne forskningen fokuserer på å studere fleksibilitetsmatrisen til rett avrundede bøyningshengser. Den analytiske beregningsmetoden for deformasjon av planet av hengslet er avledet basert på Cantilever Beam Theory. Den lukkede analytiske modellen for fleksibilitetsmatrisen er etablert, og en forenklet beregningsformel for fleksibilitetsmatrisen er gitt når man vurderer hjørneradius og hengselstykkelse. I tillegg utvikles en endelig elementmodell av hengslet for å bekrefte nøyaktigheten av den analytiske modellen. Den relative feilen mellom analytiske og simuleringsverdier for fleksibilitetsmatriksparametrene blir analysert for forskjellige hengslestrukturparametere. Resultatene viser at den analytiske modellen er nøyaktig, og de relative feilene kan kontrolleres innenfor akseptable grenser.

Fleksible hengsler er mye brukt i presisjonsenheter på grunn av fordelene med høy bevegelsesoppløsning, ingen friksjon og enkel produksjonsprosess. Disse hengslene er avhengige av sin egen elastiske deformasjon for å overføre eller konvertere bevegelse, kraft eller energi, og eliminerer behovet for stive komponenter. Nøkkelparametrene til et fleksibelt hengsel påvirker direkte dets dynamiske egenskaper og sluttposisjoneringsnøyaktighet. Tidligere forskning har fokusert på forskjellige typer fleksible hengsler, men begrensede studier har blitt utført på rundersrundede bøyningshengsler. Denne artikkelen tar sikte på å fylle dette forskningsgapet ved å studere fleksibilitetsmatrisen til slike hengsler.

1. Fleksibilitetsmatrise av rett stråle avrundede fleksible hengsler:

Den rette bjelken avrundet fleksibel hengsel er en arkstruktur med avrundede hjørner for å unngå stresskonsentrasjon. Henges geometriske parametere inkluderer høyde, lengde, tykkelse og filetradius. En analytisk modell for lukket sløyfe for fleksibilitetsmatrisen til hengslet er etablert basert på den avledede analytiske beregningsmetoden for deformasjon i flyet. Fleksibilitetsmatriksparametrene blir analysert for forskjellige hengslestrukturparametere, og den relative feilen mellom analytiske og simuleringsverdiene beregnes.

2. Endelig elementverifisering av fleksibilitetsmatrisen:

For å validere nøyaktigheten til den analytiske modellen opprettes en begrenset elementmodell av hengslet ved hjelp av UGNX NASTRAN -programvare. Simuleringsresultatene av hengslet lastet med enhetskraft/øyeblikk sammenlignes med de analytiske verdiene. Den relative feilen mellom analytiske og simuleringsverdiene for fleksibilitetsmatriksparametrene blir analysert for forskjellige forhold mellom hengslelengde og tykkelse (L/T) og hjørneradius og tykkelse (R/T).

2.1 Effekt av L/T på fleksibilitetsmatriseparametere:

Den relative feilen mellom analytiske og simuleringsverdier for fleksibilitetsmatriksparametrene er funnet å være innenfor 5,5% når forholdet L/T er større enn eller lik 4. For forhold mindre enn 4 øker den relative feilen betydelig på grunn av begrensningene i den slanke bjelkeforutsetningen. Derfor er den analytiske modellen med lukket sløyfe egnet for hengsler med større L/T-forhold.

2.2 Effekt av R/T på fleksibilitetsmatriseparametere:

Den relative feilen mellom analytiske og simuleringsverdiene for fleksibilitetsmatriksparametrene øker med økningen i forholdet r/t. For forhold mellom 0,1 og 0,5 kan den relative feilen kontrolleres innen 9%. For forhold mellom 0,2 og 0,3 kan den relative feilen kontrolleres innen 6,5%.

2.3 Effekt av R/T på forenklede fleksibilitetsmatriseparametere:

Forenklede analytiske formler for fleksibilitetsmatriseparametere er gitt med tanke på forholdet r/t. Den relative feilen mellom de forenklede analytiske verdiene og simuleringsverdiene øker med en økning i forholdet r/t. For forhold mellom 0,3 og 0,2 kan den relative feilen kontrolleres innen henholdsvis 9% og 7%.

Den utviklede analytiske modellen for lukkede sløyfe av fleksibilitetsmatrisen for rett avrundede bøyningshengsler gir et teoretisk grunnlag for utforming og optimalisering av fleksible hengsler og mekanismer. Nøyaktigheten av modellen er validert gjennom endelige elementsimuleringer, og de relative feilene er innenfor akseptable grenser for forskjellige hengslestrukturparametere. Denne forskningen bidrar til forståelse og anvendelse av rundersrundede bøyninger i forskjellige presisjonsinnretninger.