抗拉柔性铰链的理论建模及有限元分析

为了在保持转动刚度变化不大的情况下,使得LET(Lamina Emergent Torsion)柔性铰链能够适用于存在轴向载荷的场合,即拥有较大的轴向刚度,本文对LET的结构进行了适当改进,设计了一种新型柔性铰链——抗拉LET柔性铰链。基于抗拉LEMs(Lamina Emergent Mechanisms)柔性铰链结构,将整个抗拉LET柔性铰链等效为弹簧刚度模型,并对该弹簧刚度模型进行理论建模,得到封闭解。之后采用ANSYS软件,建立其有限元模型,分析其在转动载荷和轴向载荷两种不同场合下的形变,并同之前的理论模型进行比较。结果表明,采用弹簧刚度模型得到的等效刚度解与仿真分析结果较为一致,抗拉LET柔性铰链的弯曲刚度仅是传统LET柔性铰链的1.12倍,而拉伸刚度却是它的76.43倍。在弯曲刚度没有大幅变化情况下,抗拉LET柔性铰链的抗拉刚度明显增大,抗拉能力大大提高,表明抗拉LET柔性铰链的结构设计符合预期要求。     

外置-串联复合型LET铰链的设计与性能分析

针对LET铰链存在拉压刚度低、工作精度差的问题,基于外置LET铰链,设计了外置-串联复合型抗拉压LET铰链,推导了铰链弯曲等效刚度与拉压等效刚度的理论计算式。实例计算与有限元分析误差在5%以内,验证了理论分析与等效刚度计算式的正确性。将外置-串联复合型LET铰链与相同尺寸的外置LET铰链、Nested-LET铰链进行性能对比,在保持弯曲变形能力的前提下,外置-串联复合型LET铰链拉压刚度是外置LET铰链的43.3倍,是Nested-LET铰链的1.43倍,充分表明该铰链结构设计的合理性与有效性。     

内置-串联复合型平面折展柔性铰链的设计与性能分析

基于内置LET铰链,设计了一种内置-串联复合型LET铰链,利用弹簧等效法,推导了铰链弯曲等效刚度与拉压等效刚度的计算式。通过实例计算与有限元分析,二者结果误差在3%～6%,验证了理论分析与等效刚度计算式的正确性。将内置-串联复合型LET铰链与相同尺寸的内置LET铰链进行性能对比,结果表明,内置-串联复合型LET铰链在保持弯曲变形能力的前提下,拉压刚度是内置LET铰链的近50倍,充分表明铰链结构设计的合理性与有效性。     

基于拉力带参数的IST-LEJ设计与分析

提出了一种新型结构柔性铰链,命名为平面折展抗拉压倒置扭转铰链(Inverted stripe-type torsional lamina emergent joint,IST-LEJ),设计了该铰链的结构形式,推导了其弯曲等效刚度计算公式,提出了基于拉力带特征参数的修正系数。通过实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了基于修正系数的弯曲等效刚度公式的正确性。通过不同拉力带尺寸的实例计算,进一步验证了等效刚度理论公式的正确性和修正系数的有效性。建立了与IST-LEJ设计实例外形尺寸和特征参数相同的平面折展倒置扭转铰链(Inverted torsional lamina emergent joint,IT-LEJ)铰链的有限元模型,比较了IST-LEJ与IT-LEJ铰链的弯曲性能和抗拉压性能。最后,对聚丙烯和铍青铜材料的这两种铰链进行了失效分析,得出了不同材料铰链各自的弯曲变形范围。     

Design and Performance Analysis of Symmetrical-"几"-shapedInverted-Tension Lamina Emergent Joint

设计了 一种新型抗拉压平面折展铰链T-LEJ(Tension Lamina Emergent Joint),命名为对称倒"几"字形抗拉压平面折展铰链(Symmetrical Inverted"几"shaped Tension Lamina Emergent Joint),简称对称倒"几"字形T-LEJ铰链.设计了铰链的结构,采用弹簧等效法,推导了铰链的弯曲等效刚度与拉压等效刚度计算式.设计了铰链实例进行理论计算同时进行有限元仿真,二者之间的误差在3％-6％之间,验证了所得等效刚度计算式的正确性.对具有相同结构特征尺寸的对称倒"几"字形T-LEJ铰链与Howell提出的I-LEJ铰链、IT-LEJ铰链进行性能对比分析,结果表明对称倒"几"字形T-LEJ铰链的抗拉压能力是I-LEJ铰链的6.25倍,略低于IT-LEJ铰链.针对对称倒"几"字形T-LEJ铰链与IT-LEJ铰链进行失效对比分析,其弯曲变形能力是IT-LEJ铰链的2.09倍.表明对称倒"几"字形T-LEJ铰链具有更好的综合性能,验证了铰链结构设计的合理性与有效性.     

倒圆角直梁型柔性铰链刚度研究

为研究倒圆角直梁型柔性铰链的刚度性能,利用材料力学和微积分的相关知识推导出该型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸或压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度。将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。改变倒圆角直梁型柔性铰链的各结构参数,根据所推导出的刚度公式,利用Matlab软件编程计算出刚度值,并分析倒圆角直梁型柔性铰链的弯曲刚度与其各结构参数之间的关系。     

用于大载荷主动振动控制平台的柔性铰链设计和实验研究

具体设计要求,给出了结构优化后的设计参数,确定满足一定载荷条件下柔性铰链结构形式,同时利用ANSYS软件分析了柔性铰链最大受力情况下的应力分布情况,对其进行了强度校核,最后通过实验得到柔性铰链的弯曲刚度,同理论计算值一致,进一步验证该复合式柔性铰链设计的可行性.     

结构参数对抛物线型柔性铰链刚度的影响

刚度是衡量柔性铰链机械特性的重要指标,运用材料力学和微积分等理论,建立了抛物线型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸刚度模型,获得了不同尺寸参数对应的解析解;分析了抛物线型柔性铰链刚度对结构参数的依赖程度,发现了其具有明显的尺寸效应;建立了抛物线型柔性铰链有限元模型并进行数值模拟,理论模型解析解与数值模拟结果的相对误差小于8.5%。研究结果为进一步优化设计铰链结构参数提供了重要依据。     

椭圆直梁复合型柔性铰链的刚度分析

提出了一种新型椭圆直梁复合型柔性铰链,以小变形悬臂梁和微积分的相关知识为基础,推导了其弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度;将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。分析椭圆直梁复合型柔性铰链的结构参数对其刚度性能的影响,并与倒圆角直梁型柔性铰链进行比较,结果表明椭圆直梁复合型柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均优于倒圆角直梁型柔性铰链。     

倒圆角直梁型柔性铰链设计计算与应用

首先推导出倒圆角直梁型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式;然后改变倒圆角直梁型柔性铰链的各结构参数,根据所推导出的刚度公式,利用MATLAB软件编程计算出刚度值,分析倒圆角直梁型柔性铰链的刚度与其各结构参数之间的关系;最后为验证推导出的刚度计算公式的正确性,采用三维实体单元对由倒圆角直梁型柔性铰链构成的柔性T型联结节的弯曲和拉伸刚度进行有限元求解,数值计算结果表明文中所推导的倒圆角直梁型柔性铰链刚度计算公式是正确的。     

新型双曲线直梁复合型柔性铰链刚度研究

提出一种新型双曲线直梁复合型柔性铰链,以卡氏第二定理和微积分的相关知识为基础,推导双曲线直梁复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸或压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度。将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。分析双曲线直梁复合型柔性铰链的结构参数对其刚度性能的影响,并与倒圆角直梁型柔性铰链进行比较,结果表明双曲线直梁复合型柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均次于倒圆角直梁型柔性铰链。     

一种双层回转柔性铰链的设计

为了提高回转柔性铰链的平移刚度和回转角度,将直梁与曲面弧形板相结合,形成柔性铰链的变形体,进行了双层回转柔性铰链的设计。基于固定-导向梁的伪刚体模型和串并联弹簧的刚度等效方法,建立了铰链的回转刚度模型。同时,基于伪刚体法建立了柔性铰链的径向平移刚度模型;利用ANSYS软件建立了有限元仿真模型,与理论模型进行了比较,误差约为7%和3%,证明了刚度模型的正确性。通过回转刚度和平移刚度分析,得到所设计的柔性铰链静力学性能,其径向刚度为2 N/mm,可回转角度为30°。     

圆弧柔性铰链的优化设计

柔性铰链是高精度柔性机构的关键部件,其运动精度与运动范围影响着柔性机构的性能,本文对圆弧柔性铰链进行了柔度矩阵推导,并依据柔度方程进行优化设计。采用结构矩阵法建立了圆弧柔性铰链的柔度方程,对矩形截面的翘曲抗扭刚度进行推导,得到了约束扭转状态下的扭转柔度近似方程。为相对长度较小铰链的扭转刚度精确求解提供了依据。对比理论计算结果与有限元分析结果,结果显示扭转柔度的最大相对误差在10%左右,其余方向柔度相对误差低于6%,验证了柔度方程的准确性。采用正交试验直观分析法得到柔性铰链各设计参数对转动刚度的灵敏度,并利用多目标遗传算法对柔性铰链的转动柔度以及轴向刚度两个目标进行了参数优化。通过优化结果与设计经验选取参数的对比,发现优化后圆弧柔性铰链的弯曲柔度提升了5.12%,同时铰链的轴向刚度提升了4.72%,证明针对圆弧柔性铰链的优化设计具有明显效果。     

柔性铰链的3种模型计算和分析

在微位移工作台中,柔性铰链作为主要传递压电陶瓷给进位移的关键部件,对柔性铰链的性能分析显得至关重要.文中主要研究了直圆弧形柔性铰链的半径、最小铰链厚度等结构尺寸参数对柔性铰链转动刚度的影响,分析了3种不同模型计算结果之间的差别.同时运用ANSYS11.0分析了单柔性铰链的刚度并且和3种模型计算结果相比较,得出了它们之间的差别.通过以上的分析可以得出,在直圆弧形柔性铰链的半径和最小铰链厚度之比在t/R∈(0,0.8)时,采用Paros和Weisbord简化模型(PW简化模型)可以简便计算柔性铰链的刚度.该方法对实际设计柔性铰链具有重要的意义.     

单轴柔性换向机构刚度分析

针对某些场合由于空间有限需要换向的情况,设计了一种单轴柔性换向机构。基于线弹性及小变形理论,推导了圆弧形柔性铰链平面内柔度矩阵各参数的解析计算公式,得到了圆弧形柔性铰链的平面内柔度矩阵,计算出了柔性换向机构内柔性铰链的柔度矩阵,并通过有限元软件对该计算结果进行了验证。推导出了柔性换向机构的刚度以及传动比,并通过有限元软件和实验对该计算结果进行了验证。结果表明:在柔度矩阵各项参数的解析值与有限元仿真值之间的相对误差中,除c22项误差较大(-11.84%)以外,其他项误差均在4%以内;柔性换向机构刚度及传动比的解析值与仿真值之间的相对误差分别为-3.31%和5.27%;柔性换向机构刚度及传动比的解析值与实验值之间的相对误差分别在6%与11%以内。     

大转角柔性铰链的结构设计及转动刚度研究

为满足航天可展结构需要,提出了一种大转角柔性铰链,其转动角度可达180°。借助几何运动学理论,进行了大转角柔性铰链的结构设计;并对柔性体的尺寸、啮合曲面轮廓、转动刚度、储存能量等关键问题进行了理论分析。得出了柔性体最小长度、厚度与柔性体转动时的最小弯曲半径之间的关系;给出了啮合面的轮廓计算、铰链的转动刚度、柔性铰链储存能量的计算解析表达式。这一柔性铰链的提出及关键问题的解决为相关领域的研究应用提供了重要的参考。     

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。     

倒圆角直梁型柔性铰链应力分析

为研究倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力,利用材料力学的相关知识推导出该型柔性铰链的弯曲正应力和拉/压应力计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定,另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的应力;将有限元解与所推导出的解析解进行比较,验证所推导应力计算公式的正确性。根据所推导出的应力公式,讨论倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力与其各结构参数之间的关系。     

S形折叠式柔性铰链结构设计

为了减小柔性铰链的转动刚度,依据串并联关系,设计了S形折叠式柔性铰链。使用伪刚体法和能量法,建立了S形柔性铰链的刚度模型。利用ANSYS建立了该柔性铰链的有限元模型,对铰链进行了刚度和应力分析,并将其与理论值进行了比较,得到刚度误差约为3%,验证了刚度模型的准确性。当转角达到最大值±35°时,安全系数为4,符合设计要求。     

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。