Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của tối ưu hóa thiết kế bản lề linh hoạt và cơ chế cơ thể linh hoạt1

Tóm tắt: Nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu ma trận linh hoạt của bản lề uốn cong chùm thẳng. Phương pháp tính toán phân tích cho biến dạng trong mặt phẳng của bản lề có nguồn gốc dựa trên lý thuyết chùm đúc hẫng. Mô hình phân tích vòng kín cho ma trận linh hoạt được thiết lập và một công thức tính toán đơn giản hóa cho ma trận linh hoạt được cung cấp khi xem xét bán kính góc và độ dày bản lề. Ngoài ra, một mô hình phần tử hữu hạn của bản lề được phát triển để xác minh độ chính xác của mô hình phân tích. Lỗi tương đối giữa các giá trị phân tích và mô phỏng của các tham số ma trận linh hoạt được phân tích cho các tham số cấu trúc bản lề khác nhau. Kết quả chứng minh rằng mô hình phân tích là chính xác và các lỗi tương đối có thể được kiểm soát trong các giới hạn chấp nhận được.

Bản lề linh hoạt được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chính xác do lợi thế của chúng là độ phân giải chuyển động cao, không có ma sát và quy trình sản xuất đơn giản. Những bản lề này dựa vào biến dạng đàn hồi của chính chúng để truyền hoặc chuyển đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng, loại bỏ sự cần thiết của các thành phần cứng nhắc. Các tham số chính của bản lề linh hoạt ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính động và độ chính xác định vị cuối của nó. Nghiên cứu trước đây đã tập trung vào các loại bản lề linh hoạt khác nhau, nhưng các nghiên cứu hạn chế đã được thực hiện trên các bản lề uốn tròn chùm tia thẳng. Bài viết này nhằm mục đích lấp đầy khoảng trống nghiên cứu này bằng cách nghiên cứu ma trận linh hoạt của bản lề đó.

1. Ma trận linh hoạt của bản lề linh hoạt tròn chùm thẳng:

Bản lề linh hoạt tròn chùm thẳng là một cấu trúc tấm với các góc tròn để tránh nồng độ ứng suất. Các tham số hình học của bản lề bao gồm chiều cao, chiều dài, độ dày và bán kính fillet. Một mô hình phân tích vòng kín cho ma trận linh hoạt của bản lề được thiết lập dựa trên phương pháp tính toán phân tích dẫn xuất cho biến dạng trong mặt phẳng. Các tham số ma trận linh hoạt được phân tích cho các tham số cấu trúc bản lề khác nhau và lỗi tương đối giữa các giá trị phân tích và mô phỏng được tính toán.

2. Xác minh phần tử hữu hạn của ma trận linh hoạt:

Để xác thực độ chính xác của mô hình phân tích, mô hình phần tử hữu hạn của bản lề được tạo bằng phần mềm UGNX Nastran. Kết quả mô phỏng của bản lề được tải với lực/mô men đơn vị được so sánh với các giá trị phân tích. Lỗi tương đối giữa các giá trị phân tích và mô phỏng của các tham số ma trận linh hoạt được phân tích cho các tỷ lệ khác nhau của chiều dài bản lề với độ dày (L/T) và bán kính góc với độ dày (R/T).

2.1 Ảnh hưởng của L/T đến các tham số ma trận linh hoạt:

Lỗi tương đối giữa các giá trị phân tích và mô phỏng của các tham số ma trận linh hoạt được tìm thấy nằm trong phạm vi 5,5% khi tỷ lệ L/T lớn hơn hoặc bằng 4. Đối với các tỷ lệ nhỏ hơn 4, lỗi tương đối tăng đáng kể do các hạn chế của giả định chùm tia mảnh. Do đó, mô hình phân tích vòng kín phù hợp với bản lề với tỷ lệ L/T lớn hơn.

2.2 Ảnh hưởng của R/T đến các tham số ma trận linh hoạt:

Lỗi tương đối giữa các giá trị phân tích và mô phỏng của các tham số ma trận linh hoạt tăng theo sự gia tăng tỷ lệ R/T. Đối với các tỷ lệ từ 0,1 đến 0,5, lỗi tương đối có thể được kiểm soát trong vòng 9%. Đối với các tỷ lệ từ 0,2 đến 0,3, lỗi tương đối có thể được kiểm soát trong vòng 6,5%.

2.3 Ảnh hưởng của R/T trên các tham số ma trận linh hoạt đơn giản:

Các công thức phân tích đơn giản hóa cho các tham số ma trận linh hoạt được cung cấp xem xét tỷ lệ r/t. Lỗi tương đối giữa các giá trị phân tích đơn giản hóa và các giá trị mô phỏng tăng lên khi tăng tỷ lệ R/T. Đối với các tỷ lệ từ 0,3 đến 0,2, lỗi tương đối có thể được kiểm soát trong phạm vi 9% và 7%, tương ứng.

Mô hình phân tích vòng kín được phát triển của ma trận linh hoạt cho bản lề uốn tròn chùm tia thẳng cung cấp một cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế và tối ưu hóa các bản lề và cơ chế linh hoạt. Độ chính xác của mô hình được xác nhận thông qua các mô phỏng phần tử hữu hạn và các lỗi tương đối nằm trong giới hạn chấp nhận được cho các tham số cấu trúc bản lề khác nhau. Nghiên cứu này đóng góp cho sự hiểu biết và ứng dụng của bản lề uốn tròn thẳng trong các thiết bị chính xác khác nhau.