Кінематична модель та результативні дослідження нульової жорсткості перехрестя гнучкі знання Hinge_hinge

Гнучкий механізм - це новаторська концепція в галузі механіки, оскільки він використовує еластичну деформацію матеріалів для передачі руху, сили або енергії. Цей механізм набула популярності в різних галузях, включаючи точне позиціонування, обробку MEMS та аерокосмічну справу, завдяки численним перевагам, такими як нульове тертя, безшовна експлуатація, легке обслуговування, висока роздільна здатність та інтегровані можливості обробки.

Однак традиційні жорсткі механізми все ще домінують на ринку через певні обмеження гнучкого механізму. Одним із цих обмежень є позитивна жорсткість, яка виникає у функціональному напрямку під час дії механізму. Ця позитивна жорсткість вимагає більшої рушійної сили та суворих вимог до водія, що в кінцевому рахунку знижує ефективність передачі енергії. Ці недоліки заважали більш широкому застосуванню гнучкого механізму.

Для подолання несприятливих наслідків позитивної жорсткості багато вчених ввели концепцію нульової жорсткості в гнучкий механізм. Вміло використовуючи негативну жорсткість для компенсації позитивної жорсткості, можна досягти механізму з нульовою жорсткістю. Така система, також відома як гнучкий механізм статичного балансу, може досягти статичного стану рівноваги в будь -якій точці діапазону руху. Цей тип механізму пропонує декілька переваг, включаючи відмінні продуктивність передачі сили, здатність працювати з меншими рушійними силами та високою ефективністю передачі енергії. Отже, фокус на дослідженні в галузі гнучких механізмів статичного балансу в основному був на гнучких мікроплавах.

Серед різних компонентів гнучких механізмів гнучкі петлі привернули значну увагу завдяки їх винятковим характеристикам. Відносна поїздка узагальнених гнучких петель перехресно-зворотних петлей є відносно короткою, що робить їх дуже цінними для широкого спектру застосувань. Отже, гнучкий шарнір з нульовою стійкістю на основі цієї конструкції став кращим вибором для побудови складних гнучких механізмів статичного балансу, що робить його дослідження дуже значущими.

Для досягнення нульових характеристик жорсткості в гнучких петлях необхідно компенсувати торсіональну позитивну жорсткість з обертальною негативною жорсткістю. У зв'язку з цим розроблена модель обертальної негативної жорсткості. Модель передбачає використання листової пружини, що складається з двох перекриваючих очеретів, одного фіксованого, а інша вільна. Коли деформація кінця отвору порівняно невелика порівняно з довжиною очерету, пружина виявляє хорошу лінійність і може бути проаналізована як пружина з нульовою довжиною.

Аналіз моделі обертальної негативної жорсткості враховує моменти, що здійснюються двома пружинами в певній точці системи. На основі трикутного закону синуса, моменти можуть бути виражені математично. Поєднуючи ці моменти, можна визначити загальний крутний момент. Цей аналіз показує, що коли кут обертання становить менше 90 градусів, пружини здійснюють крутний момент у тому ж напрямку, що і кут обертання, тим самим створюючи обертальну негативну жорсткість.

Для встановлення точної гнучкої моделі з нульовою стійкістю, важливо проаналізувати механічні властивості узагальненого гнучкого шарніра. Цей аналіз враховує різні фактори, такі як вплив променевої сили та чистого кручення навантаження на крутій жорсткості шарніра. Розуміючи ці фактори, може бути обчислена безрозмірна жорсткість кручення петлі. Концептуальна модель гнучкої шарніра з нульовою стійкістю може бути отримана, замінивши пружини, що обертаються, і балансські пружини в моделі обертальної негативної жорсткості. Ця концептуальна модель є симетричною, що дозволяє проаналізувати обертання проти годинникової стрілки рухомої платформи.

Для перевірки точності теоретичної моделі проводиться аналіз кінцевих елементів за допомогою програмного забезпечення ANSYS. Аналіз передбачає моделювання та аналіз характеристик кута моменту гнучкого шарніра з нульовою стійкістю. Потім результати порівнюються з теоретичними розрахунками. Моделювання проводиться на петлях з різними параметрами, а жорсткість пружини балансу поступово регулюється до тих пір, поки жорсткість шарніра не зменшиться до нуля. Порівнюючи результати моделювання та теоретичні розрахунки, підтверджується, що теоретична модель точно представляє поведінку гнучкого шарніра нуля.

Крім того, вивчається доцільність використання листяних пружин в якості балансової пружини в гнучких петлях з нульовою стійкістю. Для цієї мети встановлюється модель кінцевих елементів, а результати моделювання порівнюються з результатами, отриманими за допомогою елемента Combine14. Результати ще раз підтверджують точність та надійність теоретичної моделі.

На закінчення, використання обертальної негативної жорсткості для компенсації позитивної жорсткості в гнучких петлях дозволяє створити гнучкі шарніри з нульовою стійкістю. Ці системи пропонують численні переваги, включаючи зменшений крутний момент руху, покращені продуктивність передачі сили та підвищення ефективності використання енергії. Проаналізовані два різних методи балансу, а саме пружини подвійного балансу та одноразові пружини балансу, і визначаються їхні статичні рівноваги. Потім теоретичні результати перевіряються за допомогою аналізу кінцевих елементів. Дослідження підтверджує, що метод весни подвійного балансу підходить для сценаріїв, коли радіальна сила не впливає на жорсткість шарніра, тоді як модель пружини єдиного балансу має більш широкий спектр застосувань. Однак, осьова компактність моделі останньої моделі дещо порушена, що потребує всебічного врахування під час структурної конструкції. Загалом, дослідження гнучких петель з нульовою стягненням та їх застосування мають важливе значення для просування поля гнучких механізмів.