Cálculo de flexibilidade e análise de desempenho de um novo hybri de elipse de círculo reto de um lado único1

Resumo:

As dobradiças flexíveis desempenham um papel crucial no campo dos sistemas microeletromecânicos (MEMS). Este artigo apresenta um novo tipo de dobradiça flexível chamada de dobradiça flexível híbrida de círculo reto de círculo reto. A flexibilidade dessa dobradiça é calculada usando o segundo teorema de Karl e os resultados são validados através da análise de elementos finitos. Os parâmetros estruturais da dobradiça são analisados ​​para determinar sua influência em sua flexibilidade. Também é feita uma comparação entre as dobradiças flexíveis de híbrido de curto de curva de círculo reto e duplo e duplo e duplo, e conclui-se que a dobradiça de um lado oferece melhor capacidade de rotação e sensibilidade à carga. No geral, a dobradiça flexível híbrida de um lado fornece uma solução promissora para aplicações compactas e de altamente deslocamento na engenharia.

Nos campos em rápida evolução da tecnologia micro-eletromecânica, aeroespacial e engenharia biológica, os mecanismos rígidos tradicionais não são mais suficientes para atender aos requisitos de projeto e uso. Mecanismos flexíveis, com seu tamanho pequeno, ausência de atrito e lacunas mecânicas e alta sensibilidade ao movimento, ganharam tração significativa em várias disciplinas, incluindo máquinas, robótica, computadores, controle automático e medição de precisão. O componente-chave dos mecanismos flexíveis é a dobradiça flexível, que utiliza propriedades de deformação elástica e auto-recuperação para eliminar o movimento perdido e o atrito mecânico, alcançando assim uma resolução de deslocamento mais alta. As dobradiças flexíveis de eixo único podem ser classificadas com base em suas formas transversais, como tipos de arco, ângulo de chumbo, elipse, parábola e hipérbola. Entre eles, as dobradiças retas e de ângulo de chumbo são amplamente utilizadas devido às suas estruturas simples. No entanto, em alguns casos em que o espaço é restrito, a necessidade de estruturas compactas levou ao surgimento de dobradiças flexíveis de um lado, que encontraram aplicações extensas na medição e posicionamento de precisão. Com base nas vantagens das dobradiças flexíveis híbridas e unilaterais, este artigo propõe uma dobradiça flexível híbrida unilateral, que oferece uma nova abordagem para a aplicação de engenharia de dobradiças flexíveis com estruturas compactas e grandes deslocamentos.

Cálculo de flexibilidade do híbrido híbrido híbrido de círculo reto unilateral:

A dobradiça flexível e híbrida flexível de círculo reto unilateral compreende metade de uma dobradiça unilateral de círculo reto e metade de uma dobradiça elíptica unilateral. Seus parâmetros geométricos incluem largura da dobradiça (b), espessura mínima (t), raio do círculo reto (R), comprimento da dobradiça (L), eixo principal da elipse (m) e eixo semi-minor da elipse (n). A análise da dobradiça flexível é baseada no pressuposto de um feixe cantilever pequeno, com a extremidade direita fixa e deformação de flexão causada pela força e momento. A influência da carga axial é considerada, enquanto os efeitos de cisalhamento e torção são negligenciados. De acordo com o segundo teorema de cassete, a relação entre a deformação da dobradiça no ponto 1 e a carga aplicada pode ser determinada. A fórmula de cálculo de flexibilidade é derivada com base nesse relacionamento e nas coordenadas da seção transversal da dobradiça. Através de cálculos integrais, pode ser obtida a flexibilidade da dobradiça flexível híbrida de círculo reto unilateral.

Exemplo de cálculo e verificação de elementos finitos:

Um cálculo de exemplo é realizado usando a fórmula de cálculo de flexibilidade derivada para diferentes valores do eixo semi-minor (n) da elipse. Os resultados são comparados com os resultados da análise de elementos finitos (FEA) para verificar a precisão da fórmula. O erro entre os dois conjuntos de resultados é inferior a 8%, confirmando a validade da fórmula de cálculo de flexibilidade.

Análise de desempenho do híbrido híbrido unilateral de círculo reto-elipse flexível:

A flexibilidade da dobradiça é influenciada por seus parâmetros materiais e estruturais. A fórmula de cálculo de flexibilidade revela que o módulo elástico (E) é inversamente proporcional à largura da dobradiça (B). Outros parâmetros, como o raio do círculo reto (R), eixo semi-major da elipse (m), eixo semi-minor da elipse (n) e espessura mínima (t) também afetam a flexibilidade. Uma análise da fórmula de cálculo de flexibilidade mostra que seus parâmetros são mais sensíveis às alterações na espessura mínima (t) da dobradiça.

Comparação de desempenho com a dobradiça híbrida bilateral de círculo reto-elipse flexível:

A dobradiça flexível híbrida unilateral de círculo reto é comparado com a dobradiça flexível híbrida de elipse de círculo reto de dupla fome proposto na literatura. A taxa de flexibilidade é usada como um índice de desempenho, definido como a proporção da flexibilidade unilateral e a flexibilidade bilateral. Os resultados mostram que a dobradiça flexível híbrida unilateral oferece melhor capacidade de rotação e sensibilidade à carga em comparação com a dobradiça híbrida bilateral.

A proposta de um novo tipo de dobradiça flexível, a dobradiça flexível híbrida unilateral, traz novas possibilidades para aplicações de engenharia que requerem estruturas compactas e grandes deslocamentos. A fórmula de cálculo de flexibilidade é derivada com base no segundo teorema de Karl e validada através da análise de elementos finitos. Verificou -se que os parâmetros estruturais da dobradiça afetam sua flexibilidade, com a espessura mínima exercendo a influência mais significativa. A dobradiça flexível híbrida unilateral tem um desempenho melhor do que a dobradiça híbrida bilateral em termos de capacidade de rotação e sensibilidade à carga. No geral, a dobradiça flexível híbrida unilateral oferece perspectivas promissoras para várias aplicações de engenharia.