摆线柔性铰链的设计计算与性能分析

提出了一类基于摆线方程切口的新型柔性铰链。利用变截面梁弯曲理论推导其转动刚度数学模型,根据微元法下的胡克定律叠加原理推导其拉伸刚度的数学模型,通过有限元验证了计算公式的正确性,讨论了结构参数对转动刚度的影响关系和显著程度,比较了新型柔性铰链与传统柔性铰链的性能。分析表明转动刚度与弹性模量、宽度和最小厚度成正比,而与拱高参数成反比,且对最小厚度的变化最敏感,新型柔性铰链的柔度仅次于椭圆型,相较于圆弧型和抛物线型柔铰对载荷的敏感程度平均提高了10%和30%以上,新型摆线柔铰为柔性铰链的设计选型提供了新思路。     

片状精密柔性铰链的转动刚度测量

为了解决薄片类复杂结构柔性铰链转动刚度精密测量问题,研究了一种基于力传感器和自准直仪的测量方法。采用ANSYS有限元软件对六种不同厚度的柔性铰链进行数值分析,并搭建试验系统进行实际测量。结果表明,计算结果与测量结果基本吻合,多次重复测量的最大标准差为1. 6480(N·m/rad)。该方法一致性好、测量效率高,为薄片精密机械零件转动刚度测量与验收提供了一种有效方法。     

新型柔性铰链式精密狭缝的结构原理及有限元分析

根据上海光源软X射线谱学显微光束线站高光谱分辨的要求,单色光出射狭缝设计采用柔性铰链式精密结构,利用柔性铰链的特性优点,可以实现狭缝开口仅为0～0.5 mm,而且可以精度很高地调节开口宽度.该设计实现了狭缝开口输出位移和输入驱动位移的比例关系.文中介绍了该狭缝结构的机械设计原理及所采用柔性铰链的设计方法,并通过有限元分析软件ANSYS对其进行建模分析,验证了其运动原理和机械强度的设计,确定狭缝能满足上海同步辐射装置的使用要求.     

柔性铰链转动刚度分析与验证

针对直圆形柔性铰链进行分析,在分析比较通过理论公式和有限元软件计算柔性铰链转动刚度方法的基础上,设计柔性铰链转动刚度测试实验,对计算结果进行实验验证。提出了柔性铰链转动刚度设计的一般思路、方法和应注意问题。     

直圆柔性铰链加工误差对刚度的影响和有限元验证

柔性铰链是一种行程小,定位精度高的传动机构,对加工精度有较高的要求。针对柔性铰链关键尺寸3种不同的加工误差,通过建模和受力分析,推导了直圆柔性铰链存在加工误差时的转动刚度计算公式,以数值积分方法计算刚度误差,并拟合出一种无量纲的刚度误差公式。同时以有限元仿真对计算公式进行验证,对误差曲线进行比较,结果表明了较好的一致性,为柔性铰链的设计和加工提供参考。     

圆弧型柔性铰链结构参数对其刚度性能的分析

微动机器人具有无摩擦无间隙、响应快、结构紧凑、刚性好、误差积累小等特点,以柔性铰链代替传统铰链后并联机构就正好具备以上特点适合用作微动机器人.柔性铰链是目前被广泛用于微动机器人的主要部件之一,其刚度性能直接影响微动机器人的终端定位.由于实际需要的多样性和复杂性,使得其实际结构的何尺寸不能完全满足传统理论分析的假设条件,因此影响到对其性能的准确分析.采用有限元软件ANSYS分析了多个不同尺寸参数的圆弧形柔性铰,并与其解析计算结果进行了比较,分析了二者间产生误差的根本原因.     

一种精密平台的柔性铰链设计和有限元验证

精密平台是一种能够提供微位移的高精度工作平台,柔性铰链作为传动机构,在精密平台设计中广泛应用。柔性铰链是决定平台性能的关键,柔性铰链的结构形式和尺寸参数影响着定位精度的高低。设计了一种叠加支链形式的柔性铰链结构,推导了基于该柔性铰链的二维精密平台的工作刚度、耦合刚度、耦合系数、铰链应力等性能指标的解析公式,并采用了有限元软件对性能指标进行了验证。仿真表明,两者具有良好的一致性,为应用于精密平台的柔性铰链设计提供参考。     

外凸圆弧柔性铰链的计算与分析

通过与有缺口的普通弓形柔性铰链进行对比,将外凸圆弧作为基本的柔性单元,引入柔性铰链,推导两种铰链的转动刚度公式,并计算了尺寸参数对转动刚度的影响,最后通过有限元计算了两种铰链对平行四边形机构的变形影响.结果表明,在外形尺寸与受力相同的情况下,外凸圆弧柔性铰链四边形机构的水平输出位移是弓形柔性铰链机构的3.9倍,在相同输出位移的情况下.外凸圆弧四边形机构受到的最大等效应力是弓形铰链的32%.     

双曲余弦柔性铰链的刚度推导

柔性铰链在科学技术领域有着广泛的应用,以力学基本公式和微积分为基础,推导出了双曲余弦柔性铰链的刚度计算公式.计算公式是精确的推导结果且表达较为简洁,有利于柔性铰链及其机构的计算和分析.     

结构参数对并联型双轴直圆柔性铰链刚度的影响

为了深入分析并联型双轴直圆柔性铰链的微位移变形性能,基于弹性梁的小变形假设、变截面连续梁弯曲理论及微积分叠加原理,推导出其角变形及转角刚度计算公式;根据胡克定律,得到拉压变形时的伸长量和拉伸刚度计算公式,并对柔性铰链在不同结构参数下进行有限元分析;同时,对影响转角刚度和拉伸刚度的结构参数进行研究。结果表明,转角刚度有限元解与解析解的误差在7%以内,拉伸刚度有限元解与解析解的误差在3%以内;刚度与最小厚度、弹性模量成正比关系,与切割半径成反比关系,且最小厚度对刚度的影响最显著,切割半径次之,弾性模量最弱。     

柔性铰链微定位平台的设计

设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真,并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8%,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性,实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标。     

一种纳米级二维微定位工作台的设计与分析

研究开发了一种采用柔性铰链导向的二维光学调整微定位工作台,建立了工作台的简化模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿x、y方向刚度及前二阶固有频率解析式。进行了微定位工作台固有频率及沿x、y方向刚度的试验测试,并结合解析方法和有限元方法对微定位工作台设计刚度及动力特性进行分析验证。有限元分析表明:当工作台的直角平板柔性铰链长度较小而铰链宽度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,铰链根部应力集中也较严重。通过改变柔性铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出了一种优选微定位工作台柔性铰链参数的简易方法。     

基于有限元的JZH25型均质机曲轴的模态分析

用有限元法对企业新开发产品JZH25型均质机的曲轴进行模态分析,提取前4阶固有频率,得到曲轴前4阶模态的振型和位移等值线图,并计算出前4阶临界转速,确认曲轴的工作转速远远低于各阶临界转速,不会产生共振现象.     

MEMS工艺模拟与有限元软件接口的实现(英文)

微机电系统工艺模拟可在实际加工前预测MEMS器件的实际结构,有利于理解工艺机理,缩短设计周期,减少生产费用.针对目前用于MSMS器件分析的模拟软件尚不能很好地与有限元软件对接的问题,设计了工艺模拟软件与有限元分析软件的接口.通过这个接口,将MEMS工艺模拟所得到的数据经过数据格式的转换导入有限元分析软件(ANSYS)中并建模,使之可以进行诸如机械、热、电等物理参量的分析.在分析了目前关于(曲线)边界轮廓提取的各种方法后,引进了最大圈算法,解决了工艺模拟结果在有限元软件中的模型重构问题,实现了从工艺模拟到有限元分析的无缝对接.提出的接口设计对实现MEMS CAD体系化具有重要的促进作用.     

Development of a finite element analysis tool for fixture design integrity verification and optimisation

Machining fixtures are used to locate and constrain a workpiece during a machining operation. To ensure that the workpiece is manufactured according to specified dimensions and tolerances, it must be appropriately located and clamped. Minimising workpiece and fixture tooling deflections due to clamping and cutting forces in machining is critical to machining accuracy. An ideal fixture design maximises locating accuracy and workpiece stability, while minimising displacements.The purpose of this research is to develop a method for modelling workpiece boundary conditions and applied loads during a machining process, analyse modular fixture tool contact area deformation and optimise support locations, using finite element analysis (FEA). The workpiece boundary conditions are defined by locators and clamps. The locators are placed in a 3-2-1 fixture configuration, constraining all degrees of freedom of the workpiece and are modelled using linear spring-gap elements. The clamps are modelled as point loads. The workpiece is loaded to model cutting forces during drilling and milling machining operations. Fixture design integrity is verified. ANSYS parametric design language code is used to develop an algorithm to automatically optimise fixture support and clamp locations, and clamping forces, to minimise workpiece deformation, subsequently increasing machining accuracy. By implementing FEA in a computer-aided-fixture-design environment, unnecessary and uneconomical “trial and error” experimentation on the shop floor is eliminated.     

超磁致伸缩体内涡流效应有限元分析

为补偿涡流效应产生的温度与反相磁场对超磁致伸缩微位移驱动体位移输出造成的非线性,从电磁场基本原理出发,推导了超磁致伸缩驱动器内的涡流分布和大小的数学模型。利用伽辽金加权余量法和牛顿-拉夫逊迭代法得到涡流效应数学模型的解析公式。通过解析公式分析超磁致伸缩驱动器内驱动体横截面上的电磁场分布,进而得到驱动体上各部分涡流大小及分布与输入电流频率增加的对应关系。当输入频率大于1 kHz时,涡流有限元模型计算得到的涡流导致磁场损耗量与实测磁场强度相差约4.6 mT,表明此模型可以对超磁致伸缩驱动体内的涡流损耗进行有效的补偿。     

室温硫化胶层建模在透镜结构分析中的应用

对透射镜结构中室温硫化(RTV)胶层建模方法进行了研究。给出了节点相连(忽略胶层材料)、各向同性材料(三层体单元和一层体单元)和各向异性材料建立胶层材料模型的方法,分别采用3种方法对透射镜镜组建立了有限元模型,并进行了仿真模态分析。搭建了模态试验装置,测试了它的模态参数。结果表明,各向异性胶层材料的建模方法得到的一阶自由模态频率与试验测试的一阶自由模态频率误差只有0.3%,而各向同性材料的三层单元和一层单元建模方法、节点相连建模方法的误差分别达到1.8%,1.2%和13.9%。分析与测试结果表明,胶层材料在有限元分析当中是不可以被忽略的;综合分析显示,各向同性材料一层单元的建模方法减少了模型单元数量,且达到了工程应用的精度要求。     

面向微小型齿轮-轴过盈装配的仿真建模与验证

基于微小型齿轮-轴过盈装配的过盈量计算模型和Ansys有限元分析软件平台,采用理论模型反推仿真模型的等效方法建立了微小型齿轮一轴过盈胀紧装配的仿真模型并加以验证,结果表明：验证后的仿真模型在实例系统的安全校核中能够代替理论计算和部分物理实验,克服了微小型构件检测困难的弊端,为零件的优化设计提供参考数据。     

火箭滑车载数控模拟转台的结构设计及模态分析

用Pro/E和ANSYS软件对数控模拟转台进行结构设计及对底座进行模态分析,得出该零件的二阶模态图,为火箭滑车载数控模拟转台模型的改材及电动机和轴承的选型提供详实可靠的数据.     

有限元分析软件的介绍及其应用

介绍了MSC.visual Nastrarl 4D分析软件的功用,并且运用该软件对机床横梁进行强度计算,通过横梁受力状态的应力分析,计算出其应力分布,为进一步改进设计提供理论依据.