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。     

集中柔度全柔性机构变形分析及仿真

柔性铰链四杆机构在精密机械中的应用日益广泛.采用伪刚体模型法对具有集中柔度的全柔性铰链四杆机构进行了分析,利用MATLAB编写了外载荷与杆件转角关系的Newton迭代法程序.同时用有限元方法建立了全柔性铰链四杆机构模型,并用ANSYS进行了仿真.给出了两种方法的计算实例,对所得结果进行了讨论,分析了误差产生的原因.     

变截面柔性铰链变形分析计算方法

柔性铰链的几何结构对其性能有着直接的影响。文中分析了变截面柔性铰链的变形特性,给出了变截面柔性铰链的特征厚度比和等效截面厚度的概念。定义了平均截面厚度的修正系数,通过算例给出了不同特征厚度比对应的修正系数值,以此对变截面柔性铰链的平均截面厚度进行修正得到等效截面厚度,进而采用伪刚体模型法分析变截面柔性铰链的变形。实例计算结果表明,经过修正计算得到的变形结果与有限元法的分析结果具有很好的一致性,表明了修正系数的合理性。     

一种新型5-R柔性并联指向机构的设计与分析

轴漂作为柔性铰链的固有属性对其转动精度有很大影响,基于对称设计思想设计出两种轴漂很小的高精度柔性转动副,并对其进行性能分析及应用研究。首先采用几何方法,从结构上证明了新提出的两种柔性转动副具有轴漂小的特点;然后,分别建立两种新型铰链的伪刚体模型,得到其输入输出数学表达式并进行仿真验证;最后,基于球面5-R并联机构,运用刚体替换法,将新提出的两种柔性铰链替代机构中刚性运动副,综合得到一种新型5-R柔性并联机构。通过有限元软件对其进行分析,证明机构具有较高的承载能力和指向精度,为后续空间柔性指向机构应用方面奠定了理论基础。     

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。     

二自由度柔性铰链六杆机构的设计与分析

柔性机构应用越来越广泛,且在很多机械系统中能有效替代某些刚性机构,从而使整个机械系统达到刚柔并济的目的.在研究混合驱动机构和柔性四杆、五杆机构的基础上,对混合驱动六杆机构进行变型设计.首先利用虚功原理建立二自由度柔性铰链六杆机构的伪刚体模型,得出该机构的伪刚体模型的普遍公式.同时,建立了该机构的拟柔性模型,并得出了拟柔性模型的普遍公式.然后对二自由度柔性铰链六杆机构进行了仿真,得出相关数据,建立了相关转角之间的函数关系.并在普遍公式的基础上解出在施加不同载荷下的二自由度柔性铰链六杆机构驱动杆转角的理论值.最后对仿真值与理论值进行了对比分析,证明了理论推导过程的正确性.     

多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析

针对直梁型多交叉簧片柔性铰链难以兼顾大转角、低刚度的问题,设计了一种多交叉曲梁簧片柔性铰链。采用圆弧曲梁簧片减小变形应力和转动刚度,在纯转矩驱动条件下具有高转动精度和大转角行程。推导了圆弧曲梁簧片的变形应力计算方程,建立了柔性铰链的大变形力学分析模型,并通过转动刚度实验和变形应力仿真计算验证了理论模型的准确性。进一步分析了半径系数、簧片曲率和位形角等设计变量对柔性铰链驱动转矩和变形应力的影响关系,提出了同时减小转动刚度和变形应力的设计方案,确定了使柔性铰链获得零刚度特性和负刚度特性的设计变量组合。所设计的柔性铰链结构及其性能分析结果可为新型大行程柔性铰链的设计提供参考。     

直角切口柔性铰链串联支链的屈曲分析

利用材料力学弯曲变形理论的挠曲线近似微分方程,建立计算直角切口柔性铰链串联支链屈曲临界力的数学模型,在建模过程中定义平均屈曲临界挠度系数并给出其确定方法.采用商用有限元软件ANSYS8.0对大量不同参数的串联支链模型进行有限元屈曲分析,分析结果与根据数学模型计算得到的屈曲临界力十分接近,说明了所建数学模型的正确性.研制测试柔性铰链串联支链屈曲临界力的专用试验装置,针对加载载荷尺寸对柔性支链屈曲的影响,提出载荷等效长度的概念.试验结果表明:屈曲临界力的试验值与理论计算值相吻合,从而验证所建数学模型具有较高的参考价值,可以作为柔性铰链串联支链屈曲优化设计的指导理论.     

基于虚功原理的3-RRPR柔性精密定位工作台动力学分析

为了实现柔性精密操作系统的高频控制,提出一种新型空间柔性并联精密定位工作台系统,该工作台采用多个压电陶瓷驱动方式,通过半圆形凹槽单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3平动自由度的主动调整.根据机构伪刚体模型,采用矢量闭环方法建立其位置、速度以及加速度方程,并结合柔性铰链弹性应变能,采用虚功原理方法进行动力学分析,推...     

三角形柔性铰链的建模与分析

作为一种旋转单元,三角形柔性铰链可以组合为性能更加优良的柔性模块或柔性机构,如车轮形铰链、蝶形铰链等。建立准确的受力模型,分析其载荷—位移特性成为设计复杂铰链或机构的关键所在。基于近似的悬臂梁模型,建立三角形柔性铰链在同时受到弯矩、切向力和轴向力作用下精确的转角模型。得到未被近似的轴漂计算公式,并根据公式推导实用的轴漂模型。转角和轴漂模型都简洁地表征了载荷—位移关系,最后,通过有限元分析验证了所建立的模型的准确性。     

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。     

直圆椭圆复合型柔性铰链研究

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式——直圆椭圆复合柔性铰链,它由半个直圆柔性铰链和半个椭圆柔性铰链构成。给出了直圆椭圆复合柔性铰链的柔度设计计算公式,并通过有限元方法验证了此公式的正确性。分析计算了一组不同椭圆短半轴的复合铰链实例,结果表明直圆椭圆复合柔性铰链的性能高于直圆柔性铰链。设计的直圆椭圆复合柔性铰链非常适合于需要大位移、高精度传动的应用场合。     

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。     

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。     

三种常见典型柔性铰链的非线性分析

以三种常见的柔性铰链作为研究对象,对柔性铰链进行非线性分析.因为铰链需要线性变形,因此利用有限元分析软件ANSYS对柔性铰链进行系统的研究,讨论铰链的各个参数对其线性性能的影响.同时因为柔性铰链采用金属材料,只能产生小变形,作用力过大时会发生屈服,因此分析了柔性铰链在所能承受的最大作用力下的结构非线性,计算了铰链的线性工作范围,为柔性铰链在机构中的应用提供了一定的基础.     

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。     

涡旋柔性弹簧型线设计及有限元分析

提出了广泛用于小型低温制冷机上直线压缩机中涡旋柔性弹簧型线设计方法。利用基本的圆渐开线方程，通过调整基圆半径、渐开线节距、渐开线发生角、涡旋体槽宽、涡旋体圈数、渐开线的渐开角以及涡旋槽在空间的分布，来实现柔性弹簧型线的设计。为了分析柔性弹簧的各项性能，建立了有限元应力分析模型，通过有限元软件平台，对广泛使用的牛津型型线的柔性弹簧进行了数值分析，并将分析结果与实验数据进行了对比，证明了有限元方法的有效性。根据不同的实际性能要求设计出了不同型线的柔性弹簧。通过分析得出了弹簧几何特征与弹簧刚度之间的关系。     

混合型柔性铰链构型设计与柔度建模

通过将对称型柔性铰链进行分段和命名,提出一种基于柔性铰链基段和镜像段串联组合的混合型柔性铰链构型设计方法。基于卡式第二定理,将基段柔度建模转化成与其槽口形状函数有关的定积分问题。推导得到镜像段与其基段间的柔度映射和多段基段的柔度矩阵,进而构建出形式统一的两段混合型柔性铰链通用柔度和精度模型。选取圆锥曲线、矩形梁和棱台型基段类型,基于组合设计共获得96种新型混合型柔性铰链。结合具体算例和借助有限元验证理论模型的正确性,并对所设计和现有的柔性铰链构型性能统一进行评价分析。研究工作可为柔性铰链构型优选和特性评价提供理论指导。     

椭圆柔性铰链柔顺机构的动力学建模与分析

以椭圆的离心角为积分变量,得到椭圆柔性铰链的转角计算的积分公式,推导出椭圆柔性铰链的刚度表达式.在此基础上针对一种应用广泛的含椭圆柔性铰链的柔顺机构,建立其动力学模型,得到该机构系统的固有频率计算公式.通过算例分析了该机构的各种参量对系统固有频率以及柔性铰链刚度的影响.     

Effect of Degree-of-Symmetry on Kinetostatic Characteristics of Flexure Mechanisms:A Comparative Case Study

The current research of kinetostatic characteristics in flexure mechanisms mainly focus on the improvement of accuracy. To reduce or eliminate the parasitic motion is considered as an approach by using the common knowledge of symmetry. However, there is no study on designing the flexure mechanisms with symmetrical features as many as possible for better kinetostatic performance, when considering the resulting cost by the symmetry. In this paper, the concept of degree of symmetry(DoS) is proposed for the first time, which is committed to symmetry design in the phase of conceptual design. A class of flexure mechanisms with 0?DoS, 1?DoS, 2?DoS and 3?DoS are synthesized respectively based on the Freedom and Constraint Topology method. Their overall compliance matrices in an analytical form formulated within the framework of the screw theory are used to analyze and compare the effect of different number of DoS on the kinetostatic characteristics for flexure mechanisms. The finite element analysis(FEA) simulations are implemented to verify the analytical results. These results show that the higher the DoS is, the smaller the parasitic motion error will be. The flexure model with 3?DoS is optimized according to the overall compliance matrix and then tested by using the FEA simulation. The testing result shows that with the best combination parameters, the parasitic motion error for 3?DoS mechanism is almost eliminated. This research introduces a design principle which can alleviate the unwanted parasitic motion for better accuracy.