灵活的机制是机械领域的开创性概念,因为它利用材料的弹性变形来传输运动,力或能量。 由于其众多优势,例如零摩擦,无缝的操作,易于维护,高分辨率和集成的处理能力,因此这种机制在各种行业中广受欢迎,包括精确定位,MEMS处理和航空航天。
但是,由于灵活机制的一定局限性,传统的刚性机制仍然占据了市场。 这些局限性之一是机理作用过程中功能方向上发生的正刚度。 这种正刚度需要更大的驱动力和对驾驶员的严格要求,这最终降低了能量传递效率。 这些缺点阻碍了灵活机制的更广泛应用。
为了克服积极僵硬的不利影响,许多学者将零刚度的概念引入了柔性机制中。 通过巧妙地使用负刚度来抵消正刚度,可以实现零刚度的机制。 这样的系统,也称为柔性静态平衡机制,可以在运动范围内的任何点达到静态平衡状态。 这种机制具有多种优势,包括出色的力传输性能,具有较小驱动力的能力以及高能量传输效率。 因此,研究重点是柔性静态平衡机制领域,主要是在柔性微钳位上。
在柔性机制的各种组成部分中,灵活的铰链由于特征的特征而受到了极大的关注。 广义交叉柔性铰链的相对旅行相对较短,使其在广泛的应用中非常有价值。 因此,基于此设计的零态性柔性铰链已成为构建复杂柔性静态平衡机制的首选选择,从而使其研究非常重要。
为了实现柔性铰链中的零刚度特性,有必要用旋转负刚度来抵消扭转正刚度。 在这方面,已经开发了旋转负刚度模型。 该模型涉及使用由两个重叠的芦苇组成的叶子弹簧,一个是固定的,另一个是免费的。 与芦苇长度相比,开口端的变形相对较小时,弹簧表现出良好的线性性,可以分析为零长度弹簧。
对旋转负刚度模型的分析考虑了两个弹簧在系统中的特定点上施加的扭矩。 根据三角形法律,可以用数学表达扭矩。 通过组合这些扭矩,可以确定施加在该点上的总扭矩。 该分析表明,当旋转角度小于90度时,弹簧的扭矩与旋转角相同,从而产生旋转负刚度。
为了建立准确的零态性柔性铰链模型,分析广义跨固定柔性铰链的机械性能至关重要。 该分析考虑了各种因素,例如径向力和纯扭转负荷对铰链扭转刚度的影响。 通过理解这些因素,可以计算出铰链的无尺寸扭转刚度。 然后,可以通过更换旋转对旋转对和平衡弹簧在旋转负刚度模型中的旋转对和平衡弹簧来获得零态性柔性铰链的概念模型。 这个概念模型是对称的,可以分析移动平台的逆时针旋转。
为了验证理论模型的准确性,使用ANSYS软件进行有限元分析。 该分析涉及模拟和分析零 - 状态柔性铰链的力矩旋转角度特征。 然后将结果与理论计算进行比较。 对具有不同参数的铰链进行模拟,并逐渐调整平衡弹簧的刚度,直到将铰链的刚度降低到零。 通过比较仿真结果和理论计算,可以证实理论模型准确地表示零态性柔性铰链的行为。
此外,还探索了将叶子弹簧用作零态性柔性铰链中平衡弹簧的可行性。 为此目的建立了有限元模型,并将模拟结果与使用联合14元素获得的结果进行了比较。 结果再次验证了理论模型的准确性和可靠性。
总之,使用旋转负刚度来抵消柔性铰链中的正刚度,从而可以创建零态性柔性铰链系统。 这些系统提供了许多优势,包括减少驾驶扭矩,提高力传输性能以及提高能量利用效率。 分析了两种不同的平衡方法,即双平衡弹簧和单平衡弹簧,并确定它们的静态平衡条件。 然后,通过有限元分析来验证理论结果。 该研究证实,双平衡弹簧方法适用于径向力不会影响铰链刚度的方案,而单个平衡弹簧模型的应用范围更大。 但是,后一个模型的轴向空间紧凑性在某种程度上受到损害,因此在结构设计过程中需要进行全面考虑。 总体而言,对零态性柔性铰链及其应用的研究在促进灵活机制领域方面具有重要意义。