直圆柔性球铰柔度矩阵的解析计算

基于线弹性和小变形假设理论,通过引入比例系数(直圆柔性球铰槽口间距与切割半径倍数之比)并利用其结构对称的特点,推导得到了形式较为简洁的直圆柔性球铰柔度矩阵各子元素的解析柔度计算公式。利用有限元仿真软件验证了所推公式的正确性,并绘制了相应的误差曲线。结果表明:当比例系数小于0.2时,直圆柔性球铰各柔度计算公式的相对误差限均在11%以内;随着比例系数的增加,除沿x向的拉压柔度C11误差较小外,其他柔度计算公式的误差均呈增加的趋势,最大误差为30%。实验结果显示理论分析与仿真结果基本趋于一致,验证了直圆柔性球铰各柔度解析式的正确性。本文的研究内容为直圆柔性球铰在实际应用中的结构设计和参数优化奠定了理论基础。     

椭圆弧型柔性球铰的柔度矩阵计算与分析

椭圆弧型柔性球铰作为直圆型、圆弧型、椭圆型柔性球铰的推广可替代传统双轴柔性铰链参与空间多自由度柔顺机构的设计。基于线弹性及小变形假设理论,以椭圆弧形柔性球铰为研究对象,通过引入更为直观的中间参数,建立了该铰链的空间力学模型,简化了推导过程,推导了其柔度矩阵的数学表达式,并使用有限元分析法对所推导的公式进行验证。ANSYS软件分析的结果与Simulink模型计算结果对照表明大部分数据误差不超过10%,最大误差为28%,证明了所推导公式的正确性。最后对椭圆弧型柔性球铰的柔度公式进行了进一步分析。得到:最小直径d对柔度影响最大,其次是椭圆长轴a,短轴b对柔度的影响最小。为双轴柔性铰链的设计提供了理论依据。     

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。     

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。     

典型柔性铰链转角柔度对比分析

柔性铰链结构广泛的应用于精密定位系统中,利用卡氏第二定律推导了柔性铰链的通用转角柔度计算公式。引入两个无量纲参数,通过将典型柔性铰链的柔性部位的边沿曲线表述为圆锥曲线形式,建立了含有共同参数的典型柔性铰链的转角柔度计算公式,采用有限元法对所建立的转角柔度公式进行了验证。在此基础之上,以圆形柔性铰链的转角柔度为基准,定义了转角柔度比函数,对比分析了典型柔性铰链的转角柔度特性,为确定大行程柔性机构设计时的基本变形单元提供了理论依据。     

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。     

另一类椭圆柔性铰链

本文提出了一类椭圆柔性铰链——深切口椭圆柔性铰链,其切口的宽度为椭圆的短轴,而切口的深度为椭圆的长半轴。基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入离心角作为积分变量,推导了计算这类柔性铰链柔度、转动精度和最大应力的计算公式,这些公式具有简洁、规范等特点,非常有利于工程设计中的计算和分析。最后,用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链。有限元方法分析结果与此解析计算公式的计算结果与吻合得很好,说明了这些解析计算公式的正确性。研究表明,这类铰链非常适合于要求高精度传动的应用场合。     

基于柔性铰链的柔性放大机构参数化设计

为了对柔性微位移放大机构进行优化设计,有必要对柔性铰链及柔性放大机构进行参数化分析与研究。提出了一个通用的结构参数ε,探讨了ε对不同柔性铰链柔度系数的影响规律,并横向比较了常用柔性铰链的柔度特性。另一方面,基于柔度特性的影响分析,提出了新的参数柔度比λ,重点分析了不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度。以实际的桥式柔性微位移放大机构为例,利用参数ε和λ实现了该柔性放大机构的参数化设计,并用有限元软件进行了仿真计算。实验测量结果表明,对基于柔性铰链的柔性微位移放大机构进行参数化设计,最终输出位移行程与有限元仿真设计的结果误差率为3.80%。基于柔性铰链的结构参数ε和柔度比λ对柔性放大机构进行参数化设计是可行且正确的,有利于这一类柔性放大机构的优化设计。     

幂函数正弦柔性铰链设计与分析

提出了一种新型幂函数正弦柔性铰链,利用卡氏第二定理推导了柔性铰链的柔度与转动精度计算公式,并取不同参数值对柔度和转动精度进行了有限元仿真分析和理论值计算,相对误差在10%以内,验证了计算公式的正确性;分析了柔性铰链的曲线方程参数对铰链性能的影响。结果表明,最小厚度对柔性铰链的性能影响最大。此外,将椭圆、双曲线与新型铰链进行了对比。结果表明,椭圆柔性铰链的柔度最大,但是转动精度最小;双曲线柔性铰链的转动精度最大,但是柔度最小。通过引入柔度精度比β,分析对比得知,在相同L的情况下,改变d,幂函数正弦柔性铰链的β值分别比椭圆和双曲线柔性铰链平均提高了2.68倍和1.237倍;在相同d的情况下,改变L,幂函数正弦柔性铰链的β值分别比椭圆和双曲线柔性铰链平均提高了2.60倍和1.18倍。表明幂函数正弦柔性铰链的综合性能更有优势。     

椭圆形多轴柔性铰链的柔度计算及性能分析

多轴柔性铰链具有多个自由度,适用于三维空间运动。文中基于线弹性小变形假设,以卡氏第二定理为理论基础,得出椭圆形多轴柔性铰链的柔度计算式。选择一组椭圆形多轴柔性铰链进行柔度实例计算,同时对其进行有限元分析,验证椭圆形多轴柔性铰链柔度计算式的正确性,同时进行误差分析。引入比例系数ζ,当ζ0.5时,所有柔度项的误差基本在11%以内,当ζ≥0.5时,除C1,x-Fx之外的各柔度项误差明显增大,最大误差达到28%。利用所得的柔度计算式分析了铰链半短轴n、最小截面直径t对柔度的影响,同时对比分析了柱形、椭圆形、直圆形多轴柔性铰链柔度的差异。综上所述,为椭圆形多轴柔性铰链在空间柔性机构应用中的性能分析与选型设计提供了理论基础与思路。     

A generalized analytical compliance model for transversely symmetric three-segment flexure hinges

This paper presents a generalized compliance model for a three-segment notch flexure hinge with transverse symmetry. This flexure hinge configuration is most frequently employed in planar-motion, small-displacement compliant mechanisms. The axial and bending compliances are derived for this flexure hinge based on the compliances of two flexure components. The derivation is generalized such that it can be applied to various segment geometries. Using this open-ended model, a three-segment right elliptical corner-filleted flexure hinge design was analyzed. This geometric configuration introduces additional geometric parameters, which can be used to optimize the compliance of the flexure hinge without modifying its gross dimensions. The results of the analysis were validated in part by modifying the geometric parameters of the center segment and elliptical corner fillets to form limiting cases corresponding to several previously investigated configurations, namely right elliptical, three-segment right circular corner-filleted, and right circular geometries. Finite element analysis simulation and experimental testing were used to further validate the three-segment right elliptical corner-filleted analytical model. Additional simulations based on the analytical model were performed to highlight the influence of geometric parameters on compliances and to investigate shear effects for short flexure hinges.     

基于闭环柔度解析式的双曲线形柔性铰链研究

提出了一种新型的单轴柔性铰链结构型式一单边双曲线形柔性铰链。以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础，推导了单边双曲线形柔性铰链柔度的闭环解析公式，在此基础上，推导出单边双曲线形柔性铰链的转动精度公式，对单边双曲线形柔性铰链的性能进行分析，得出了结构参数对其柔度性能的影响关系。并通过对双边双曲线形柔性铰链比较，分析了单边双曲线形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能，利用有限元和实验的方法对单边柔性铰链的柔度公式进行校验，结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于8％，实验结果和解析式的偏差在7％以内，为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考。     

单边导角形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边导角形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边导角形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元和实验的方法对柔性铰链的柔度公式进行校验。结果表明:有限元和实验方法与闭环解析式的结果基本一致。对单边导角形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过与双边导角形柔性铰链比较,分析了单边导角形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考。     

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。     

基于柔性铰链的微操作执行器的设计和分析

为了满足微型机电系统研究和测试的要求，设计了一种压电驱动的基于柔性铰链的微操作执行器。该微操作执行器采用组合杠杆原理将压电驱动器的微小位移放大。用简化方法和有限元方法分别对该柔性铰链微操作执行器进行了分析，发现简化方法可以用在初步设计中，而最终需要用有限元方法进行校验。在柔性铰链微操作执行器的设计中，加强杠杆的支点和杠杆臂的刚度，能有效地提高系统的运动放大倍数，并且使简化分析的结果和有限元分析结果更接近。     

Modeling and design of planar parallel-connection flexible hinges for in- and out-of-plane mechanism applications

The paper studies the planar parallel-connection, small-deformation flexible hinge chains formed of serially-coupled individual segments with variable cross-sections. It introduces the concept of virtual flexible hinge that is quasi-statically equivalent to the actual parallel-hinge configuration. General compliance and stiffness matrices are formulated for the virtual hinge under in-plane and out-of-plane loads by combining the transformed compliances of the individual hinge segments. Two classes are specifically analyzed: one comprises geometrically parallel, straight-axis hinge designs and the other includes concentric, circular-axis hinge configurations. From each class, particular designs with identical and transversely symmetric hinges of right circularly corner-filleted geometry are further investigated. Specifically, the behavior of parallelogram mechanisms with straight-axis hinges and of stage devices with circular-axis hinges is analyzed. Their elastic responses are validated by finite element analysis and their stiffnesses are subsequently studied in terms of offset geometric parameters.     

Note: Bending compliances of generalized symmetric notch flexure hinges

The bending compliances of generalized notch flexure hinges with transverse or transverse-and-axial symmetry are studied in two particular reference frames. For an end-point reference frame, the cross compliance and the rotary compliance are proportional. When the reference frame is placed at the flexure's midpoint, the cross compliance is zero. The translatory and rotary compliances of only half the flexure hinge are sufficient to calculate the overall compliances of a transverse-symmetry flexure configuration. Similarly, the overall bending compliances of a flexure hinge with transverse-and-axial symmetry require prior calculation of the translatory and rotary compliances of a quarter flexure solely.     

柔体机构有限元模态分析中铰链联接的处理

以一曲柄摇杆机构为例,利用有限元方法,通过节点耦合和约束方程等方式,验证了采用该方法进行模态分析的正确性和有效性.结果说明:在采用实体单元的有限元模型中,若铰接处采用刚性联接,由于局部刚度的增加,使得机构在相同位置的固有频率增大,并可能丢失某些模态;而采用节点耦合和约束方程,则与采用梁单元铰接的计算结果基本一致.     

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。