Cálculo de flexibilidade e análise de desempenho de um novo hybri de elipse de círculo reto de um lado único

Resumo:

As dobradiças flexíveis ganharam popularidade significativa no campo de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Este artigo apresenta um novo tipo de dobradiça flexível, a saber, a dobradiça flexível híbrida de círculo reto de círculo reto de um lado. Aproveitando o segundo teorema de Karl, é proposta uma fórmula computacional para a flexibilidade de dobradiças flexíveis híbridas circulares e elípticas. A fórmula derivada é validada por análise de elementos finitos e análise comparativa. O impacto de cada parâmetro estrutural da dobradiça flexível híbrida unilateral em sua flexibilidade é analisada. Além disso, é feita uma comparação com a dobradiça flexível híbrida de círculo reto duplo-lados para demonstrar a capacidade de rotação superior e a sensibilidade da carga do projeto unilateral. A proposta de dobradiças flexíveis híbridas unilaterais apresenta uma nova avenida para aplicações de engenharia que exigem estruturas compactas e grandes deslocamentos.

O advento da tecnologia micro-eletromecânica, engenharia aeroespacial e engenharia biológica destacou as limitações dos mecanismos rígidos tradicionais para atender aos requisitos de design e uso. Os mecanismos flexíveis oferecem inúmeras vantagens, como tamanho pequeno, ausência de atrito mecânico, sem lacunas e alta sensibilidade ao movimento. Isso levou ao seu amplo uso em várias disciplinas, incluindo máquinas, robótica, computadores, controle automático e medição de precisão. O componente-chave dos mecanismos flexíveis é a dobradiça flexível, que elimina o movimento perdido e o atrito mecânico por meio de deformação elástica e propriedades de auto-recuperação, permitindo resoluções de maior deslocamento. As dobradiças flexíveis de eixo único são classificadas em várias formas, como arco, ângulo de chumbo, elipse, parábola e hiperbola. Entre eles, os tipos de ângulo reto e de chumbo são amplamente empregados devido a suas estruturas simples. No entanto, em certas aplicações em que o espaço é limitado, dobradiças flexíveis de um lado emergiram como uma escolha preferida, encontrando utilidade na medição e posicionamento de precisão.

Métodos:

Com base na pesquisa acima mencionada, este estudo propõe um novo tipo de dobradiça flexível chamada dobradiça flexível híbrida unilateral, que combina as vantagens das dobradiças flexíveis híbridas e unilaterais. A fórmula de cálculo de flexibilidade para esta dobradiça é derivada com base no segundo teorema de Karl e seu desempenho é verificado através da análise de elementos finitos. O estudo também examina a influência de vários parâmetros estruturais na flexibilidade da dobradiça.

Resultados e discussão:

A fórmula de cálculo de flexibilidade para a dobradiça flexível do híbrido de círculo reto unilateral indica que a flexibilidade depende dos parâmetros materiais e estruturais. A fórmula derivada demonstra que os parâmetros de flexibilidade são inversamente proporcionais à largura da dobradiça, enquanto parâmetros como raio de círculo reto, eixo semi-major de elipse, eixo semi-minor e espessura mínima também influenciam a flexibilidade. Através da análise, observa-se que a flexibilidade diminui com um aumento no eixo semi-menor da elipse, aumenta com uma diminuição na espessura mínima e muda de forma não linearmente com a espessura variável. A influência da espessura mínima na flexibilidade é mais significativa em comparação com outros parâmetros.

Uma comparação é feita entre a dobradiça flexível híbrida de círculo reto unilateral e a dobradiça híbrida flexível de círculo reto de dupla face-elipse proposto na literatura anterior. A flexibilidade é identificada como a característica mais vital das dobradiças flexíveis, e uma taxa de flexibilidade relativa, denotada como Cday, é introduzida para comparar os dois projetos de dobradiça. A análise revela que a dobradiça flexível híbrida unilateral exibe maior capacidade de rotação e sensibilidade à carga em comparação com o projeto bilateral. A flexibilidade da dobradiça flexível híbrida unilateral é aproximadamente 1,37 vezes maior que a do projeto bilateral.

Este estudo apresenta uma análise abrangente da dobradiça flexível híbrida unilateral, um design inovador de dobradiça flexível que oferece estruturas compactas e grandes deslocamentos. A fórmula de cálculo de flexibilidade derivada é validada através da análise de elementos finitos, demonstrando um erro dentro de 8%. A influência dos parâmetros estruturais na flexibilidade é analisada, com a espessura mínima da dobradiça identificada como o parâmetro mais influente. Além disso, uma comparação com a dobradiça flexível bilateral destaca o desempenho superior do design unilateral em termos de capacidade de rotação e sensibilidade à carga. A dobradiça flexível híbrida unilateral proposta abre novas possibilidades para a aplicação de engenharia de dobradiças flexíveis em várias indústrias.