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%.     

超精密机床中柔性铰链的结构多目标模糊优化设计

应用模糊优化原理和有限元分析技术,对超精密机床中柔性铰链的结构进行了模糊多目标优化设计。在设计过程中,利用权重最大最小法和隶属函数形式的选择,综合考虑了各个目标函数与约束条件的重要程度,实现了该结构的三个垂直方向刚度和扭转刚度的合理分配。设计结果表明,本文所采用的方法对于工程实际问题是完全可行的。     

深切口椭圆柔性铰链优化设计

考虑深切口椭圆形柔性铰链比其他常用的柔性铰链更适用于具有大行程要求的柔性机构,本文对其进行了优化设计。建立了深切口椭圆形柔性铰链的刚度模型,探讨了结构参数对其转动刚度的影响。分析了深切口椭圆柔性铰链的柔度矩阵,利用Newton-cotes求积公式简化了柔度系数的计算,在此基础上构建了多目标加权优化模型,利用模糊优化设计方法对各结构参数进行了优化设计。优化结果表明:绕Z轴旋转的角位移提高了16.72%;绕Y轴旋转角位移下降了16.01%;沿X轴、Y轴和Z轴产生的线位移分别下降了10%、29.33%和51.84%。数据显示:经过优化的柔性铰链在所期望的Z轴方向上的转动能力得到了提高,同时抑制了其他方向上的运动能力,从而提高了柔性铰链的整体运动精度和结构柔度,可用于高精密、大行程光波导封装定位平台。     

圆弧型柔性铰链应力分析

针对柔性铰链在风洞应变天平校准设备中的应用,将圆弧型柔性铰链作为研究对象,计算其最大应力。通过分析典型柔性铰链的受力情况,提出了将圆弧型柔性铰链等效为直圆型柔性铰链的方法。基于应力集中理论,拟合出了铰链分别受轴向力和弯矩时的应力集中系数计算公式。建立不同参数铰链的三维模型,使用ANSYS Wrokbench软件进行有限元仿真分析,将仿真数据和理论计算数据进行对比,验证等效方法和拟合公式的可行性。     

空间微动平台的柔性铰链参数优化设计

在微位移技术中,柔性铰链是实现微位移和高分辨率的理想机构。结合空间微动平台的特点：轻量化、小尺寸、尽可能高的一阶共振频率,以及满足平台工作行程、驱动器推力大小、和材料许用应力等要求,通过对柔性铰链公式的详细分析,给出了这类微动平台的设计流程和实例演示,同时也有助于我们理解柔性铰链各参数间的作用和相互关系。     

曲梁三角形柔性铰链力学建模与分析

直簧片柔性铰链研究结果表明,簧片的约束行为对柔性铰链的刚度和精度特性具有本质影响,而具有放松约束行为的弯曲簧片一直缺乏系统研究,其非功能方向的约束特性具有重要研究价值.尤其对于曲梁三角形柔性铰链,建立直观的力学模型,对于放松约束行为的曲梁柔性铰链拓扑研究具有重要意义.基于Awtar曲梁模型公式,在普遍受力状态下,建立基于曲梁的三角形柔性铰链转角数学模型,并推导出轴漂数学模型,理论分析与有限元分析结果精确吻合,说明数学模型的正确性,同时,计算结果表明,曲梁柔性铰链约束行为具有较多变化,为新型柔性铰链的设计提供了新的思路.     

柔性铰链的计算和分析

针对常用的直圆柔性铰链进行力学分析,与迄令一直沿用由J.M.PAROS给出的柔性铰链绕z轴的转动刚度(柔度)计算公式相比,提出了更为简洁、精确的转动刚度计算公式,使其有利于柔性铰链的设计和分析。对直圆柔性铰链所能承受的最大力矩和最大角位移进行了分析,给出了它们在不考虑应力集中影响下的计算公式。讨论了直圆柔性铰链各个参数对其性能的影响。为柔性铰链在精密定位系统中的应用提供了一定的理论基础。     

椭圆柔性铰链的柔度计算

基于材料力学中的变断面梁的弯曲理论,通过引入椭圆离心角作为积分变量,直观地得到椭圆柔性铰链的系列柔度计算公式。通过定义中间参数,推导出较为简洁的解析计算公式,从而避免费时的数值积分,便于柔性铰链柔度的计算和分析。当椭圆切口的长轴和短轴长度相等时,椭圆柔性铰链变成直圆柔性铰链,这些计算公式即退化为直圆柔性铰链的柔度计算公式。运用有限元软件ANSYS分析多个不同形状的椭圆柔性铰链,有限元法分析结果与这些柔度计算公式的计算结果吻合得很好,证明了公式的正确性。     

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.     

考虑变动载荷情形下的柔性铰链微变形田口稳健优化设计

针对柔性铰链在变动载荷下的微变形稳健性难以控制的问题,将田口方法与有限元仿真技术相结合应用到柔顺机构领域,选取倒圆角直梁型柔性铰链为例,进行田口参数设计,取铰链最小厚度、直梁长度、倒圆角半径及铰链高度作为可控因子,每个因子取三个水平。在变动载荷步长变动情形下,采用有限元技术得到仿真数据,进行方差及贡献度分析,得出四个可控因子对铰链微变形稳健性的影响顺序及最小厚度对铰链微变形稳健性影响最大等结论。进行确认试验将最优参数组合、传统优化设计结果与初始参数组合的微变形及信噪比对比。最后针对变动载荷不同步长的多种情形进行试验、分析及对比,得出不同情形下的最优设计方案,为铰链结构设计提供一定的指导作用。     

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。     

Optimizing the qusai-static folding and deploying of thin-walled tube flexure hinges with double slots

The thin-walled tube flexure（TWTF） hinges have important potential application value in the deployment mechanisms of satellite and solar array, but the optimal design of the TWTF hinges haven＇t been completely solved, which restricts their applications. An optimal design method for the qusai-static folding and deploying of TWTF hinges with double slots is presented based on the response surface theory. Firstly, the full factorial method is employed to design of the experiments. Then, the finite element models of the TWTF hinges with double slots are constructed to simulate the qusai-static folding and deploying non-linear analysis. What＇s more, the mathematical model of the TWTF flexure hinge quasi-static folding and deploying properties are derived by the response surface method. Considering of small mass and high stability, the peak moment of quasi-static folding and deploying as well as the lightless are set as the objectives to get the optimal performances. The relative errors of the objectives between the optimal design results and the FE analysis results are less than 7%, which demonstrates the precision of the surrogate models. Lastly, the parameter study shows that both the slots length and the slots width both have significant effects to the peak moment of quasi-static folding and deploying of TWTF hinges with double slots. However, the maximum Mises stress of quasi-static folding is more sensitive to the slots length than the slots width. The proposed research can be applied to optimize other thin-walled flexure hinges under quasi-static folding and deploying, which is of great importance to design of flexure hinges with high stability and low stress.     

空间曲线切口式柔性铰的设计

为了满足精密仪器连接部件的柔度和强度需求,以切口曲线为二次曲面和圆柱面的相贯线的柔性铰为例,研究了一类空间曲线切口式柔性铰的设计方法。推导了此类柔性铰转动柔度的一般设计计算公式,分析了设计参数对柔度特性的影响,在此基础上提出了此类柔性铰的设计方法。依据提出的方法设计了空间曲线切口式柔性铰,并利用有限元分析方法对设计实例进行了柔度和强度校核,同时建立了模态实验系统识别其柔度。结果表明,两种柔度校核结果与设计计算公式结果吻合较好,最大误差不超过5%,验证了设计方法的有效性,为此类柔性铰应用于精密仪器的工程设计提供了参考。此外,文中给出的有限元建模分析方法以及试验测试方法也可用于相同类型的精密构件的力学特性研究与分析。     

Spatial force-based non-prismatic beam element for static and dynamic analyses of circular flexure hinges in compliant mechanisms

This paper presents a spatial force-based non-prismatic beam element modeling approach for circular flexure hinges, which is capable of accurate and efficient modeling of both static and dynamic characteristics of flexure-based compliant mechanisms. The spatial force-based non-prismatic beam element is an improvement and extension of the existing beam elements by considering shear and torsional effects of circular flexure hinge. The new consistent mass matrix formulation was derived using the Unit Load method. A parallel-guided compliant mechanism was taken as an example to validate the efficiency and accuracy of the proposed approach through static and modal analyses with fewer non-prismatic beam elements, and the results are well agreed with ANSYS simulation results with massive 3D solid or 2D shell elements. The developed approach is also available to model arbitrarily shaped flexure hinges in compliant mechanisms.     

微位移放大机构的分析与计算

基于力学理论提出一种通用的柔性铰链柔度的计算方法,适用于各种切口形状的单轴和多轴柔性铰链的设计计算。推导出直圆柔性铰链在平面受力状态下的柔度计算公式,并分析了直圆柔性铰链结构参数与性能的关系。分析一种微位移放大机构的结构与工作原理,推导出微位移放大机构获得较大输出位移时,机构中两直圆柔性铰链结构参数应满足的关系,计算结果表明本文方法正确有效。     

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。     

Accurate low DOF modeling of a planar compliant mechanism with flexure hinges: the equivalent beam methodology

A methodology for accurate and efficient finite elements method (FEM) simulations of planar compliant mechanisms with flexure hinges is presented. First, using symmetry/antisymmetry boundary conditions and 3D elements, one-eighth of a single hinge is simulated to determine its true stress/stiffness characteristics. A set of fictitious beams is derived, which have the identical characteristics. This set is used in conjunction with other beams that model relatively stiff links to generate an equivalent model of an entire mechanism consisting of the beam elements only. The model has a low number of degrees-of-freedom (DOF) and appears to be more accurate than any 2D FEM models, even those with very large number of DOF. The methodology has been developed specifically for the right circular flexure hinge; however, it can be applied to all types of revolute flexure hinges.     

具有两个双轴柔性铰链的快速反射镜设计

为了改善快速反射镜(FSM)对车载运动平台振动、冲击环境的适应性,设计了一款具有中心和四周两个双轴柔性铰链支撑结构的FSM。在明确车载跟瞄发射系统应用需求的基础上,分别对FSM的平面反射镜、驱动元件、测角元件和柔性铰链进行了详细设计和选择。采用两两差分的方法对四通道电涡流传感器的测量噪声进行抑制,有效保证了FSM的测量精度。采用有限元分析的方法对中心和四周柔性铰链的模态和刚度进行分析与优化设计,有利保证了FSM控制带宽的提高。完成FSM的精密加工、装调后,对系统的指向精度、控制带宽和阶跃响应时间进行了实验测试分析。结果表明,所设计FSM的指向精度优于1″,闭环控制带宽大于200 Hz,阶跃响应时间约为10 ms,满足车载平台系统的应用需求。     

基于正交试验的潜水器耐压壳体的结构优化设计

潜水器的质量大小直接影响其性能,设计时要求潜水器在满足强度、刚度等要求的前提下,要尽可能减小其质量。应用正交试验的方法来实现潜水器耐压壳体结构的优化,但用正交试验方法处理约束问题比较复杂。因此将以质量最小化为目标和以强度要求为约束条件的优化设计问题转化为无约束多目标的优化设计问题。得出各个参数对壳体的强度和质量的影响规律,最后运用综合平衡法得出最优的设计方案。