Кинематическая модель и исследование производительности с нулевой жесткость

Гибкий механизм является новаторской концепцией в области механики, поскольку он использует упругую деформацию материалов для передачи движения, силы или энергии. Этот механизм приобрел популярность в различных отраслях, включая точное позиционирование, обработку MEMS и аэрокосмическую промышленность благодаря его многочисленным преимуществам, таким как нулевое трение, бесшовная работа, легкое обслуживание, высокое разрешение и интегрированные возможности обработки.

Тем не менее, традиционные жесткие механизмы по -прежнему доминируют на рынке из -за определенных ограничений гибкого механизма. Одним из этих ограничений является положительная жесткость, которая возникает в функциональном направлении во время действия механизма. Эта положительная жесткость требует большей движущей силы и строгих требований к водителю, что в конечном итоге снижает эффективность передачи энергии. Эти недостатки препятствовали более широкому применению гибкого механизма.

Чтобы преодолеть побочные эффекты положительной жесткости, многие ученые ввели концепцию нулевой жесткости в гибкий механизм. Умно, используя негативную жесткость, чтобы компенсировать положительную жесткость, можно достичь механизма с нулевой жесткостью. Такая система, также известная как гибкий механизм статического баланса, может достичь статического состояния равновесия в любой точке диапазона движения. Этот тип механизма предлагает несколько преимуществ, в том числе превосходные характеристики передачи силы, способность работать с меньшими движущими силами и высокую эффективность передачи энергии. Следовательно, исследования в области гибких статических балансовых механизмов были в основном на гибких микроамбине.

Среди различных компонентов гибких механизмов гибкие петли уделяют значительное внимание благодаря их исключительным характеристикам. Относительное перемещение генерализованных гибких петли перекрестных ред является относительно коротким, что делает их очень ценными для широкого спектра применений. Следовательно, гибкий шарнир с нулевой stiffness, основанный на этой конструкции, стал предпочтительным выбором для построения сложных гибких статических балансовых механизмов, что делает его исследование очень значимым.

Чтобы достичь нулевой характеристики жесткости в гибких петлях, необходимо компенсировать крутящую положительную жесткость с вращательной отрицательной жесткостью. В связи с этим была разработана модель вращательной негативной жесткости. Модель включает в себя использование листовой пружины, состоящей из двух перекрывающихся тростников, один фиксированный, а другой - свободный. Когда деформация первого конца относительно невелика по сравнению с длиной тростника, пружина демонстрирует хорошую линейность и может быть проанализирована как пружина нулевой длины.

Анализ модели вращательной негативной жесткости учитывает моментальные моменты, проявляемые двумя пружинами в определенной точке системы. Основываясь на треугольном законодательстве синуса, крутящие моменты могут быть выражены математически. Объединив эти крутящие моменты, может быть определено общий крутящий момент на точке. Этот анализ показывает, что когда угол вращения составляет менее 90 градусов, пружины оказывают крутящий момент в том же направлении, что и угол вращения, что создает вращательную негативную жесткость.

Чтобы установить точную гибкую шарнирную модель с нулевой жалкой, крайне важно проанализировать механические свойства обобщенного гибкого шарнира поперечного репа. В этом анализе рассматриваются различные факторы, такие как влияние радиальной силы и чистая крутящая нагрузка на жесткость шарнира. Понимая эти факторы, может быть рассчитана безразмерная жесткость кручения петлей. Концептуальная модель гибкого шарнира с нулевой стипенностью может быть получена путем замены вращающейся пары и пружин баланса в модели вращательной негативной жесткости. Эта концептуальная модель симметрична, что позволяет анализировать вращение против часовой стрелки движущейся платформы.

Чтобы проверить точность теоретической модели, проводится анализ конечных элементов с использованием программного обеспечения ANSYS. Анализ включает в себя моделирование и анализ характеристик угла угла момента гибкого шарнира с нулевой стихий. Затем результаты сравниваются с теоретическими расчетами. Моделирование выполняется на петлях с различными параметрами, а жесткость пружины баланса постепенно регулируется до тех пор, пока жесткость шарнира не уменьшится до нуля. Сравнивая результаты моделирования и теоретические расчеты, подтверждается, что теоретическая модель точно представляет поведение гибкого шарнира с нулевой жалкой.

Кроме того, исследуется возможность использования листовых пружин в качестве балансовых источников в гибких петлях с нулевой панкой. Для этой цели установлена ​​модель конечных элементов, и результаты моделирования сравниваются с результатами, полученными с использованием элемента Combine14. Результаты еще раз подтверждают точность и надежность теоретической модели.

В заключение, использование вращательной негативной жесткости для компенсации положительной жесткости в гибких петлях позволяет создавать гибкие шарнирные системы с нулевой жалкой. Эти системы предлагают многочисленные преимущества, в том числе снижение крутящего момента, улучшенная производительность передачи силы и повышенную эффективность использования энергии. Анализируются два различных метода баланса, а именно двойные пружины баланса и одно балансовые пружины, и определяются их статические условия равновесия. Теоретические результаты затем проверяются с помощью анализа конечных элементов. Исследование подтверждает, что метод пружины с двойным балансом подходит для сценариев, где радиальная сила не влияет на жесткость шарнира, в то время как модель для одного баланса пружина имеет более широкий диапазон приложений. Тем не менее, компактность осевой космической компактности последней модели несколько скомпрометирована, что требует всестороннего рассмотрения во время структурного дизайна. В целом, исследования по гибким петлям с нулевой стипенностью и их приложениями имеют большое значение для продвижения области гибких механизмов.