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。     

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。     

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。     

四种复合型柔性铰链刚度分析与应用

以材料力学和微积分的相关知识为基础,推导了四种复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式。以倒圆角直梁型柔性铰链为例,基于有限单元法验证所推导刚度计算公式的正确性。采用解析法对四种复合型柔性铰链的刚度性能进行对比分析。结果表明,椭圆直梁复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸刚度最小;分别将其应用于柔性T型联结节结构中,采用有限单元法对各柔性T型联结节的刚度性能进行对比分析,结果表明,由椭圆直梁复合型柔性铰链构成的柔性T型联结节的变形补偿能力最强。     

四种柔性T型联结节应力分析

分别将倒圆角直梁型、椭圆直梁复合型、抛物线直梁复合型及双曲线直梁复合型柔性铰链应用于柔性T型联结节结构中,采用结构实体单元SOLID92建立各柔性T型联结节的有限元模型,建立相应的边界条件对其承载能力进行研究。结果表明,(1)由椭圆直梁复合型柔性铰链构成的柔性T型联结节的承载能力最强;(2)该柔性T型联结节的最大弯曲应力、最大扭转应力和最大拉应力主要取决于最小厚度,且各应力均随宽度和最小厚度的增大而减小,这一规律与椭圆直梁复合型柔性铰链的各结构参数对其最大弯曲应力、最大扭转应力和最大拉应力影响规律的研究结果一致。     

倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析

典型柔性铰链研究结果表明,柔性铰链的缺口形状对柔性铰链的疲劳性能具有本质影响,而具有特殊缺口形状的柔性铰链一直缺乏系统研究,其疲劳性能具有重要研究价值。尤其对于复合型柔性铰链,通过有限元仿真实验,计算其疲劳寿命,对于复合型柔性铰链的疲劳性能研究具有重要意义。基于有限元疲劳分析法,在一端固定,另一端承受力矩或力的边界条件下,对倒圆角直梁型柔性铰链进行疲劳分析,得到柔性铰链薄弱环节的寿命情况,进而掌握整个柔性铰链的使用寿命,为新型柔性铰链的工程设计提供了理论依据。     

4种柔性铰链的温度效应比较分析

为了减小温度效应对柔顺机构的影响,比较分析直梁、直圆、椭圆和抛物线型4种典型柔性铰链的温度效应,以便合理选取柔性铰链设计柔顺机构。将柔性铰链划分为2个变截面梁单元,计入温度变化产生的初应变,采用最小势能原理推导出4种柔性铰链的热载荷向量和刚度矩阵,采用拉格郎日方程得出其质量矩阵,得出铰链的力学模型。基于柔性铰链的有限元模型,并以柔顺四杆机构为算例,分别对基于4种柔性铰链的柔顺机构的精度、热应力和热振动进行比较分析,分析结果表明:直圆型铰链的热误差最大,抛物线型次之,椭圆型和直梁型最小;所受热应力由大到小的顺序为直圆、椭圆、抛物线和直梁型铰链;直梁型柔性铰链的热振动谐振频率最小,直圆型和椭圆型次之,抛物线型最大,说明直梁型柔性铰链更容易受动态温度变化影响,但抛物线型在谐振频率处的幅值最大,抛物线型铰链热振动更大。     

基于柔性铰链的微位移放大机构设计

为了对柔性铰链进行优化设计,定义了一个新的参数并用它来讨论5种常见的柔性铰链一直梁型柔性铰链、圆角直梁型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链.首先建立了一个柔性铰链的有限元模型并用理论分析验证它的正确性.由于刚度是影响柔性铰链性能的最重要的参数,定义了一个参数λ--柔性铰链凹口处长与宽的比值.然后通过有限元分析得出5种柔性铰链刚度比值ε的曲线,并且基于此比值设计了一个压电致动器的微位移放大机构.本文的设计方法以及刚度比ε有助于我们设计这一类型的微位移放大机构.     

复合型柔性铰链机构特性及其应用研究

复合型柔性铰链是目前在精密机械中广泛应用的一种新型铰链形式,可作为全柔性和部分柔性机构,应用于存储释放能量以及高频振动等场合.本文概括了复合型柔性铰链的特点,对直梁型、圆弧型和复合型柔性铰链作了分析比较,并采用自由度计算公式,对刚性机构、基于复合型柔性铰链的部分柔性机构和全柔性机构进行了自由度分析,以探讨它们的机构能力和可控性.最后介绍了复合型柔性铰链在微机器人的应用,包括仿生扑翼机构的研制和实验.