Flexibilitetsberäkning och prestationsanalys av en ny ensidig rak-Circle-ellipse Hybri1

Abstrakt:

Flexibla gångjärn spelar en avgörande roll inom området för mikroelektromekaniska system (MEMS). Denna artikel introducerar en ny typ av flexibelt gångjärn som kallas den ensidiga rakcirkel-ellipse-hybridflexibla gångjärnet. Flexibiliteten i detta gångjärn beräknas med Karls andra sats, och resultaten valideras genom ändlig elementanalys. De strukturella parametrarna för gångjärnet analyseras för att bestämma deras inflytande på dess flexibilitet. En jämförelse görs också mellan den ensidiga och dubbelsidiga rakcirkel-ellipse-hybridflexibla gångjärnen, och det dras slutsatsen att det ensidiga gångjärnet erbjuder bättre rotationskapacitet och belastningskänslighet. Sammantaget ger det ensidiga hybridflexibla gångjärnet en lovande lösning för kompakta och mycket förskjutningsapplikationer inom teknik.

Inom de snabbt utvecklande områdena inom mikroelektromekanisk teknik, flyg- och biologisk teknik är traditionella styva mekanismer inte längre tillräckliga för att uppfylla design- och användningskraven. Flexibla mekanismer, med deras lilla storlek, frånvaro av mekanisk friktion och luckor och hög rörelsekänslighet, har fått betydande dragkraft inom olika discipliner, inklusive maskiner, robotik, datorer, automatisk kontroll och precisionsmätning. Den viktigaste komponenten i flexibla mekanismer är det flexibla gångjärnet, som använder elastisk deformation och självåtervinningsegenskaper för att eliminera förlorad rörelse och mekanisk friktion och därmed uppnå högre förskjutningsupplösning. Enaxel flexibla gångjärn kan klassificeras baserat på deras tvärsnittsformer, såsom båge, blyvinkel, ellips, parabola och hyperbola. Bland dessa används de raka rund- och blyvinkelningarna i stor utsträckning på grund av deras enkla strukturer. I vissa fall där utrymmet är begränsat har emellertid behovet av kompakta strukturer lett till uppkomsten av ensidiga flexibla gångjärn, som har hittat omfattande tillämpningar i precisionsmätning och positionering. Genom att bygga på fördelarna med hybrid och ensidiga flexibla gångjärn föreslår detta papper ett ensidigt hybridflexibelt gångjärn, som erbjuder en ny metod för teknisk tillämpning av flexibla gångjärn med kompakta strukturer och stora förskjutningar.

Flexibilitetsberäkning av den ensidiga rakcirkel-ellipse-hybridflexibla gångjärnet:

Den ensidiga rak-cirkel-ellipse-hybridflexibla gångjärnet omfattar hälften av ett ensidigt rakgirkbling och hälften av ett ensidigt elliptiskt gångjärn. Dess geometriska parametrar inkluderar gångjärnsbredd (b), minsta tjocklek (t), rakcirkelradie (r), gångjärnslängd (l), huvudaxeln för ellipsen (m) och halvminoraxeln för ellipsen (n). Analysen av det flexibla gångjärnet är baserad på antagandet av en liten deformad utskjutningsstråle, med höger änden fast och böjdeformation orsakad av kraft och ögonblick. Påverkan av axiell belastning beaktas, medan skjuv- och torsionseffekter försummas. Enligt den andra teoremet för kassett kan förhållandet mellan gångjärnets deformation vid punkt 1 och den applicerade belastningen bestämmas. Formeln för flexibilitetsberäkning härstammar baserat på detta förhållande och koordinaterna för gångjärnets tvärsnitt. Genom integrerade beräkningar kan flexibiliteten i den ensidiga rakcirkel-ellipse-hybridflexibla gångjärnet erhållas.

Exempelberäkning och verifiering av ändlig element:

Ett exempelberäkning utförs med hjälp av den härledda flexibilitetsberäkningsformeln för olika värden på halvminoraxeln (n) för ellipsen. Resultaten jämförs med resultaten av Finite Element Analys (FEA) för att verifiera formelns noggrannhet. Felet mellan de två resultaten visar sig vara mindre än 8%, vilket bekräftar giltigheten av flexibilitetsberäkningsformeln.

Prestationsanalys av den ensidiga rak-cirkel-ellipse hybrid flexibelt gångjärn:

Gångjärnets flexibilitet påverkas av dess material och strukturella parametrar. Formeln för flexibilitetsberäkning avslöjar att den elastiska modulen (E) är omvänt proportionell mot gångjärnets bredd (B). Andra parametrar, såsom den rakcirkelradie (R), halvmajoraxeln för ellipsen (M), halvminoraxeln för ellipsen (N) och minsta tjocklek (T) påverkar också flexibiliteten. En analys av flexibilitetsberäkningsformeln visar att dess parametrar är mest känsliga för förändringar i minsta tjocklek (T) för gångjärnet.

Prestation jämförelse med bilateral rakcirkel-ellipse hybrid flexibelt gångjärn:

Det ensidiga rakcirkel-ellipse-hybridflexibla gångjärnet jämförs med den dubbelsidiga raka cirkle-ellipse-hybridflexibla gångjärn som föreslås i litteraturen. Flexibilitetsförhållandet används som ett prestationsindex, definierat som förhållandet mellan den ensidiga flexibiliteten och den bilaterala flexibiliteten. Resultaten visar att det ensidiga hybridflexibla gångjärnet erbjuder bättre rotationskapacitet och belastningskänslighet jämfört med den bilaterala hybridgången.

Förslaget om en ny typ av flexibelt gångjärn, det ensidiga hybridflexibla gångjärnet, ger nya möjligheter för tekniska applikationer som kräver kompakta strukturer och stora förskjutningar. Formeln för flexibilitetsberäkning härstammar baserat på Karls andra teorem och valideras genom ändlig elementanalys. De strukturella parametrarna för gångjärnet har visat sig påverka dess flexibilitet, med den minsta tjockleken som utövar det mest betydande inflytandet. Det ensidiga hybridflexibla gångjärnet presterar bättre än den bilaterala hybridgången när det gäller rotationskapacitet och belastningskänslighet. Sammantaget erbjuder det ensidiga hybridflexibla gångjärnet lovande möjligheter för olika tekniska tillämpningar.