Розрахунок гнучкості та аналіз продуктивності нового одностороннього прямокле-Еліпса Hybri1

Абстрактний:

Гнучкі петлі відіграють вирішальну роль у галузі мікроелектромеханічних систем (MEMS). У цьому документі представлено новий тип гнучкого шарніра, який називається одностороннім гібридним шарніром прямого кола. Гнучкість цього шарніра обчислюється за допомогою другої теореми Карла, а результати підтверджуються за допомогою аналізу кінцевих елементів. Структурні параметри шарніра аналізуються для визначення їх впливу на його гнучкість. Також проводиться порівняння між однобічними та двосторонніми гібридними петельними петлями прямого кола, і зроблено висновок, що односторонній шарнір пропонує кращу ємність обертання та чутливість до навантаження. Загалом, односторонній гібридний гнучкий шарнір забезпечує перспективне рішення для компактних та високопоставлених застосувань в інженерії.

У швидко розвивається сферах мікроелектромеханічної технології, аерокосмічної та біологічної інженерії традиційні жорсткі механізми вже не є достатніми для задоволення вимог до проектування та використання. Гнучкі механізми, з їх невеликими розмірами, відсутністю механічного тертя та прогалин та високої чутливості до руху, набули значної тяги в різних дисциплінах, включаючи машини, робототехніку, комп'ютери, автоматичне управління та точне вимірювання. Ключовим компонентом гнучких механізмів є гнучкий шарнір, який використовує пружні деформації та властивості самостійного відновлення для усунення втраченого руху та механічного тертя, тим самим досягаючи більш високої роздільної здатності переміщення. Одноосидні гнучкі петлі можна класифікувати, виходячи з їх поперечних форм, таких як дуга, кут свинцю, еліпс, парабола та гіпербола. Серед них петлі з прямим та кутом свинцю широко використовуються завдяки їх простим структурам. Однак у деяких випадках, коли простір обмежений, потреба в компактних структурах призвела до появи однобічних гнучких петель, які знайшли широкі застосування в точній вимірюванні та позиціонуванні. Спираючись на переваги гібридних та односторонніх гнучких петель, цей документ пропонує односторонній гібридний гнучкий шарнір, який пропонує новий підхід до інженерного застосування гнучких петель з компактними структурами та великими переміщеннями.

Розрахунок гнучкості одностороннього гібридного шарніра з прямим колом:

Односторонній гібридний шарнір з прямокло-Еліпс містить половину одностороннього шарніра прямого кругли і половину одностороннього еліптичного шарніра. Її геометричні параметри включають ширину шарніра (B), мінімальну товщину (T), радіус прямого кола (R), довжина шарніра (L), основну вісь еліпса (M) та напівмінорну вісь еліпса (N). Аналіз гнучкого шарніра ґрунтується на припущенні невеликого деформованого консольного променя, з правильним кінцем фіксованою та деформацією згинання, спричиненою силою та моментом. Вплив осьового навантаження розглядається, тоді як ефекти зсуву та кручення нехтують. Згідно з другою теоремою касети, можна визначити взаємозв'язок між деформацією шарніра в точці 1 та застосованим навантаженням. Формула розрахунку гнучкості виходить на основі цього взаємозв'язку та координат поперечного перерізу шарніра. За допомогою інтегральних розрахунків можна отримати гнучкість одностороннього гнучкого шарнірного шарнірного гнучкого шару.

Приклад розрахунку та перевірка кінцевих елементів:

Приклад розрахунку проводиться за допомогою похідної формули розрахунку гнучкості для різних значень напівмінорної осі (n) еліпса. Результати порівнюються з результатами аналізу кінцевих елементів (FEA) для перевірки точності формули. Помилка між двома наборами результатів виявляється менше 8%, що підтверджує обґрунтованість формули розрахунку гнучкості.

Аналіз продуктивності одностороннього гібридного шарніра з прямокл-Еліпс гібрид:

На гнучкість шарніра впливає його матеріальні та структурні параметри. Формула розрахунку гнучкості виявляє, що модуль пружності (E) обернено пропорційний ширині шарніра (b). Інші параметри, такі як радіус прямого кола (r), напівзаморі вісь еліпса (M), напівмінорна вісь еліпса (N) та мінімальна товщина (T), також впливають на гнучкість. Аналіз формули розрахунку гнучкості показує, що її параметри найбільш чутливі до змін мінімальної товщини (t) шарніра.

Порівняння продуктивності з двостороннім гібридним шарнір:

Односторонній гнучкий шарнір з прямокле-Еліпс порівнюється з двостороннім гібридним гнучким шарніром, запропонованим у літературі, запропонованому в літературі. Коефіцієнт гнучкості використовується як індекс продуктивності, визначений як відношення односторонньої гнучкості до двосторонньої гнучкості. Результати показують, що односторонній гібридний гнучкий шарнір пропонує кращу ємність обертання та чутливість до навантаження порівняно з двостороннім гібридним шарніром.

Пропозиція нового типу гнучкого шарніра, одностороннього гібридного гнучкого шарніра, приносить нові можливості для інженерних застосувань, які потребують компактних конструкцій та великих переміщень. Формула розрахунку гнучкості отримується на основі другої теореми Карла і підтверджується за допомогою аналізу кінцевих елементів. Встановлено, що структурні параметри шарніра впливають на його гнучкість, при цьому мінімальна товщина чинить найбільш значний вплив. Односторонній гібридний гнучкий шарнір працює краще, ніж двосторонній гібридний шарнір з точки зору обертальної ємності та чутливості до навантаження. Загалом, односторонній гібридний гнучкий шарнір пропонує перспективні перспективи для різних інженерних застосувань.