柔性二级差动式微位移放大机构优化设计

微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点,设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析,在此基础之上,以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量,并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍,并对其进行有限元仿真分析,计算结果为44倍,理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明：提出的优化模型具有准确性和高效性,同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。     

大行程纳米分辨率加载机构的研制

对微构件力学性能测试的微力微位移装置的重要组成部分－－大位移高分辨率加载机构进行了研究。根据微力微位移装置的要求,提出了一种通过结构变形进行加载的载体式两级加载机构,该机构的第一和第二级分别通过压电陶瓷驱动器和直线电机进行加载,输出位移通过电容测微仪检测。加载机构的第一级是一个位移放大机构,采用柔性铰链连接的杠杆放大,第二级通过柔性杆进行输出位移的缩小。采用遗传算法优化设计了两级整体式结构,用有限元进行分析,并对加载机构的第一级进行了实验。有限元分析和实验结果表明,所设计的结构能够实现最1mm的输出位移,并在压电驱动器和直线电机的驱动下,获得小于10nm的理论位移增量和纳米级位移分辨率。该机构满足了最大加载为20N的要求。该加载机构的研制成功解决了微力微位移位置的一个关键问题。     

基于三角形和杠杆原理的柔性铰链放大机构

为克服单一的杠杆铰链放大机构的弧形位移输出和三角形铰链放大机构放大倍数小等缺陷,设计了1种综合三角形铰链与杠杆铰链结构性能优点的放大机构,理论推导了放大机构的位移放大比公式,开展了有限元仿真和实验研究。实验测试表明:当所采用的压电叠堆驱动装置驱动电压为80 V时,所设计的新型柔性铰链放大机构最大输出位移达85.36μm,放大倍数为4.5与理论值为5.40的放大倍数和有限元仿真为4.774的放大倍数相近,较理论值和仿真值误差率分别为16.67%和5.74%。新型放大机构具有较大的放大倍数和位移呈直线输出等优点。     

一种新型精密微定位平台的设计与分析

为了减小微定位平台的寄生运动,提高微定位平台的直线度,采用二级柔顺杠杆机构作为放大机构,以直梁型柔性铰链作为导向机构,设计了一种基于压电陶瓷驱动的新型精密微定位平台。根据虚功原理建立了新型精密微定位平台的理论模型,推导了其放大倍数、刚度的计算公式;采用ANSYS Workbench对新型精密微定位平台进行了有限元仿真分析,并搭建了试验测试系统。试验结果表明:微定位平台的最大行程可以达到68.32μm,放大倍数可以达到2.02,直线度为1.19%～1.42%,误差较小。经比较分析,试验结果与理论值贴合度较高,表明二级柔顺杠杆机构响应速度快、定位精度较高。     

基于新型二级杠杆机构微定位平台的设计与分析

针对传统杠杆放大机构在柔性平台构型设计中存在放大倍数低和响应速度较慢的不足,提出了一种新型二级杠杆放大机构,并在此基础上设计压电陶瓷驱动的单自由度微定位平台.根据柔性铰链的物理特性,通过差异化的铰链组合方式来实现并改善柔性平台的结构功能,进而综合设计一种具有敏捷响应速度和大范围输出位移的新型二级杠杆机构.基于拉格朗日定...     

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示：基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明：基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。     

基于类Ⅴ型柔性铰链的微位移放大机构

采用新型高精度类Ⅴ型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类Ⅴ型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类Ⅴ型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示:基于类Ⅴ型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明:基于类Ⅴ型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类Ⅴ型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。     

基于柔性铰链的二级放大微夹持器的研究

微夹持器是微装配系统的关键部件,设计了一种以柔性铰链为基础的二级位移放大机构的夹持器,该夹持器由压电陶瓷驱动。计算了夹持器的放大倍数和柔性铰链的节点应力,并对夹持器的最大张合量、放大倍数、夹持力和刚度进行有限元仿真分析。分析结果表明:夹持器的结构设计满足实际应用要求,对实现微小零件的自动装配有实际意义。     

基于柔度比优化设计杠杆式柔性铰链放大机构

分析与研究了柔性铰链的柔度特性,用于柔性放大机构的优化设计。提出了一个通用的柔度比参数λ,探讨了具有不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度,分析了它对常用柔性铰链的柔度特性的影响规律。然后,以柔性铰链的柔度比λ为基本参数,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导了二级杠杆式柔性铰链放大机构放大率的理论计算方法,并依据柔性铰链的柔度比特性提出了柔性放大机构的优化设计方法。开展了有限元仿真和实验研究。结果显示,优化后的柔性放大机构的放大率比优化前的放大率分别提高了0.234和0.23。实验表明,依据柔性铰链的柔度比λ对柔性放大机构进行优化设计能够有效地提高柔性放大机构的位移放大率与工作行程,进而提高放大机构的末端运动及定位精度。     

一种微夹钳钳体的结构设计及优化

基于二级圆弧型柔性铰链及杠杆放大原理,设计了一种新型微夹钳钳体,在满足有限放大倍数的同时节约了空间。利用ANSYS Workbench有限元软件对提出的钳体结构参数进行了优化,并对优化模型进行了模态分析,获得了性能优良的钳体结构。     

Design and development of compliant mechanisms for electromagnetic force balance sensor

Compared with the lever-type amplifier, the rhombus-type amplifier has attracted more attention by virtue of large displacement amplification ratio, compact structure, and linear output displacement. In this paper, a novel electromagnetic force balance sensor (EFBS) based on the rhombus-type amplifier is presented to measure the mass with high precision. First, the structure and operating principle of the EFBS are described, and the requirements for the design and manufacture of the amplifier are put forward. Then, the analytical models of the two-stage rhombus-type amplifier are given out, and two guiding mechanisms are analyzed and modeled. Furthermore, the validity of the established model is verified by finite element analysis (FEA). Thanks to the theoretical guidance, an electromagnetic force balance sensor based on the two-stage rhombus-type amplifier and double parallelogram flexure mechanism is designed and tested. The experimental results demonstrate that the developed EFBS can measure the mass of the objects with high precision, and also verifies the correctness of the analytical model. This provides a new concept for the structural design of the EFBS.     

椭圆弧柔性铰链刚度简化计算及优化设计

本文主要研究了椭圆弧柔性铰链刚度的优化设计方法。首无,针对椭圆弧柔性铰链刚度计算公式过于复杂的问题,采用幂函数非线性曲线拟合的方法,推导了椭圆弧柔性铰链刚度的近似理论计算公式。然后,基于近似理论计算公式,分析了柔性铰链的精度特性及工作时的最大应力;采用GlobalSearch全域优化指令和Fmincon局域优化指令对椭圆弧柔性铰链工作方向的最大刚度进行了优化设计。最后,采用有限元仿真和实验验证的方法证实近似理论计算公式的适用性和优化结果的可靠性。验证显示:实验结果与近似理论计算结果的相对误差小于5%,表明提出的方法不仅省去了繁杂的有限元模型建立以及计算和修改的过程,大大提高了设计效率;而且通过优化计算可以得到椭圆弧柔性铰链的最大刚度。     

直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵分析

对直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵进行了研究。首先,基于悬臂梁理论推导了直梁圆角形柔性铰链平面内变形的解析计算方法,建立了柔性铰链平面内柔度矩阵的闭环解析模型,并给出了rt(r为铰链圆角半径,t为铰链厚度)时柔度矩阵的简化计算公式。然后,建立了直梁圆角形柔性铰链的有限元模型,得到了柔性铰链结构参数r/t和l/t(l为铰链长度）变化时柔度矩阵解析值和有限元仿真值的相对误差,以及r/t变化时柔度矩阵简化解析值和仿真值的相对误差。结果表明:采用悬臂梁理论建立的柔性铰链柔度矩阵模型,当l/t≥4时,柔度矩阵各项参数的理论解析值与有限元仿真值相对误差在5.5%以内,当0.1≤r/t≤0.5时,两者的相对误差能够控制在9%以内,当0.2≤r/t≤0.3时,两者的相对误差能够控制在6.5%以内;当r/t≤0.3时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在9%以内, 当r/t≤0.2时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在7%以内,从而验证了柔度矩阵闭环解析模型的正确性。建立的直梁圆角形柔性铰链柔度矩阵闭环解析模型可为柔性铰链以及柔性体机构的设计和优化提供理论依据。     

杠杆式皮带秤秤体的设计

文章阐述了杠杆式皮带秤的一种设计方法,使用有限元分析确定杠杆式皮带秤中称重传感器位置,使称重传感器受力方向不受秤体变形的影响,提高了电子皮带秤的计量精度及性价比。     

195柴油机连杆有限元分析及结构优化

运用ANSYS软件对195柴油机连杆进行了三维有限元分析。得到了连杆在最大压缩力工况和最大拉伸力工况的应力、应变分布图和强度安全系数。根据分析结果,对连杆进行了优化设计,连杆的总质量降低了7.3%。计算分析结果能为连杆可靠性设计提供一定的理论参考。     

四种工况下挖泥船吊机的有限元分析

以ABAQUS有限元分析软件为工具,建立挖泥船维修吊机三维有限元模型。通过施加载荷和边界条件,对四种典型工况下吊机各构件的应力危险区、油缸轴力进行了有限元分析,并做了相关理论计算,重点讨论了应力产生比较集中的区域,分析了产生的原因并提出了一些建议。对于挖泥船吊机油缸的选择、吊机整体的设计和进一步优化提供了理论依据。     

混合型柔性铰链构型设计与柔度建模

通过将对称型柔性铰链进行分段和命名,提出一种基于柔性铰链基段和镜像段串联组合的混合型柔性铰链构型设计方法。基于卡式第二定理,将基段柔度建模转化成与其槽口形状函数有关的定积分问题。推导得到镜像段与其基段间的柔度映射和多段基段的柔度矩阵,进而构建出形式统一的两段混合型柔性铰链通用柔度和精度模型。选取圆锥曲线、矩形梁和棱台型基段类型,基于组合设计共获得96种新型混合型柔性铰链。结合具体算例和借助有限元验证理论模型的正确性,并对所设计和现有的柔性铰链构型性能统一进行评价分析。研究工作可为柔性铰链构型优选和特性评价提供理论指导。     

基于滑移边界法的微型涡喷发动机用高速发电机优化设计

以微型涡喷发动机用高速永磁发电机为对象,进行电机优化设计研究。传统有限元仿真法在反电势和电感计算方面过于复杂,针对这一问题,将滑移边界法与有限元分析结合,提出一种基于滑移边界条件的电机有限元仿真模型。在此基础之上,将基于滑移边界有限元模型的电磁参数计算与梯度下降优化方法相结合,提出改进梯度优化算法,开展以发电机最小体积为优化目标的优化设计研究。基于上述优化结果设计了多台微型涡喷发动机用高速发电机样机,并通过对电机的电磁参数测试验证了所提方法的有效性。