Obliczanie elastyczności i analiza wydajności nowego jednostronnego hybri prostego obwodu1

Abstrakcyjny:

Elastyczne zawiasy odgrywają kluczową rolę w dziedzinie systemów mikroelektromechanicznych (MEMS). W tym artykule wprowadzono nowy typ elastycznego zawiasu o nazwie jednostronny hybrydowy zawias hybrydowy prosty obwód. Elastyczność tego zawiasu oblicza się za pomocą drugiego twierdzenia KARL, a wyniki są zatwierdzone poprzez analizę elementów skończonych. Parametry strukturalne zawiasu są analizowane w celu ustalenia ich wpływu na jego elastyczność. Dokonuje się również porównania między jednostronnymi i dwustronnymi hybrydowymi zawiasami hybrydowymi prostymi obwodami, i stwierdza się, że jednoosobowy zawias oferuje lepszą pojemność obrotu i wrażliwość obciążenia. Ogólnie rzecz biorąc, jednostronny hybrydowy elastyczny zawias stanowi obiecujące rozwiązanie dla kompaktowych i wysoce przemieszczonych zastosowań w inżynierii.

W szybko rozwijających się dziedzinach technologii mikroelektromechanicznej, lotniczej i inżynierii biologicznej tradycyjne sztywne mechanizmy nie są już wystarczające do spełnienia wymagań dotyczących projektowania i użytkowania. Elastyczne mechanizmy, z ich niewielkim rozmiarem, brakiem mechanicznego tarcia i szczelin oraz wysokiej wrażliwości ruchu, zyskały znaczną przyczepność w różnych dyscyplinach, w tym maszynach, robotyce, komputerach, automatycznej kontroli i precyzyjnym pomiarze. Kluczowym elementem elastycznych mechanizmów jest elastyczny zawias, który wykorzystuje właściwości deformacji elastycznej i samokontrola, aby wyeliminować utracony ruch i tarcie mechaniczne, osiągając w ten sposób wyższą rozdzielczość przemieszczenia. Elastyczne zawiasy jednoosiowe można klasyfikować na podstawie ich kształtów przekrojowych, takich jak typy łuku, kąt ołowiu, elipsa, parabola i hiperbola. Wśród nich zawiasy prostych i wiodących są szeroko stosowane ze względu na ich proste struktury. Jednak w niektórych przypadkach, gdy przestrzeń jest ograniczona, potrzeba kompaktowych struktur doprowadziła do pojawienia się jednostronnych elastycznych zawiasów, które znalazły obszerne zastosowania w precyzyjnym pomiarze i pozycjonowaniu. Opierając się na zaletach hybrydowych i jednostronnych elastycznych zawiasów, w niniejszym dokumencie proponuje jednostronny hybrydowy elastyczny zawias, który oferuje nowe podejście do inżynierii elastycznych zawiasów z kompaktowymi strukturami i dużymi przemieszczeniami.

Obliczanie elastyczności jednostronnego hybrydowego zawiasu hybrydowego obwodu prostego:

Jednostronny hybrydowy zawias hybrydowy prosty obwód obwodowy obejmuje połowę jednostronnego zawiasu prostego obwodu i połowę jednostronnego eliptycznego zawiasu. Jego parametry geometryczne obejmują szerokość zawiasu (B), minimalną grubość (T), promień prostego okręgu (R), długość zawiasu (L), główną oś elipsy (M) i pół-minorę elipsy (N). Analiza elastycznego zawiasu opiera się na założeniu małej wiązki wspornikowej, z prawym końcem ustalonym i deformacją zginającą spowodowaną siłą i momentem. Rozważany jest wpływ obciążenia osiowego, podczas gdy efekty ścinania i skręcania są zaniedbywane. Zgodnie z drugim twierdzeniem kasety można określić związek między deformacją zawiasu w punkcie 1 a przyłożonym obciążeniem. Wzór obliczania elastyczności jest wyprowadzany na podstawie tej relacji i współrzędnych przekroju zawiasu. Dzięki obliczeniom integralnym można uzyskać elastyczność jednostronnego hybrydowego zawiasu hybrydowego prostego obwodu.

Przykładowe obliczenia i weryfikacja elementów skończonych:

Przykładowe obliczenia jest przeprowadzane przy użyciu wzoru obliczania elastyczności wyprowadzonej dla różnych wartości osi pół-minutowej (N) elipsy. Wyniki są porównywane z wynikami analizy elementów skończonych (FEA) w celu zweryfikowania dokładności wzoru. Stwierdzono, że błąd między dwoma zestawami wyników jest mniejszy niż 8%, co potwierdza ważność wzoru obliczania elastyczności.

Analiza wydajności jednostronnego hybrydowego zawiasu hybrydowego prostego obwodu:

Na elastyczność zawiasu wpływa jego parametry materiałowe i strukturalne. Formuła obliczania elastyczności ujawnia, że ​​moduł sprężystości (E) jest odwrotnie proporcjonalny do szerokości zawiasu (B). Inne parametry, takie jak promień prostego okręgu (R), północna oś elipsy (M), pół-minutowa oś elipsy (N) i minimalna grubość (T) również wpływają na elastyczność. Analiza wzoru obliczania elastyczności pokazuje, że jego parametry są najbardziej wrażliwe na zmiany minimalnej grubości (t) zawiasu.

Porównanie wydajności z obustronnym hybrydowym zawiasem hybrydowym prostym obwodem:

Jednostronny hybrydowy zawias hybrydowy z prostym obwodem jest porównywany z dwustronnym hybrydowym zawiasem hybrydowym zaproponowanym w literaturze. Współczynnik elastyczności jest wykorzystywany jako wskaźnik wydajności, zdefiniowany jako stosunek jednostronnej elastyczności do dwustronnej elastyczności. Wyniki pokazują, że jednostronny hybrydowy elastyczny zawias oferuje lepszą pojemność obrotu i czułość obciążenia w porównaniu z obustronnym zawiasem hybrydowym.

Propozycja nowego rodzaju elastycznego zawiasu, jednostronnego hybrydowego elastycznego zawiasu, zapewnia nowe możliwości zastosowań inżynieryjnych, które wymagają kompaktowych struktur i dużych przemieszczeń. Formuła obliczania elastyczności jest wyprowadzona na podstawie drugiego twierdzenia Karla i zatwierdzona za pomocą analizy elementów skończonych. Stwierdzono, że parametry strukturalne zawiasu wpływają na jego elastyczność, przy czym minimalna grubość wywiera najbardziej znaczący wpływ. Jednostronny hybrydowy zawias elastyczny działa lepiej niż obustronny zawias hybrydowy pod względem pojemności obrotu i czułości obciążenia. Ogólnie rzecz biorąc, jednostronny hybrydowy Elastyczny zawias oferuje obiecujące perspektywy różnych zastosowań inżynieryjnych.