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。     

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。     

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。     

一种新型柔性铰链的转动刚度推导与验证

设计了一种基于圆弧型薄板结构的柔性铰链,以力学与微积分相关理论为基础,给出了该结构转动刚度近似计算公式的推导过程,并用Matlab绘制了曲板内径等3个关键参数对其转动刚度的影响程度曲线,然后依靠有限元软件Ansys给出了转动刚度的仿真计算公式.最后对实体样件进行了刚度测试,验证了其解析模型和仿真模型的准确性.     

空间微振动模拟器柔性铰链设计

设计基于万向柔性铰链的Stewart平台作空间微振动模拟器,模拟空间振动辅助空间光学遥感器的隔振研究。Stewart平台要有效模拟空间微振动,铰链特性设计最为关键,要求其轴向刚度足够大而旋转刚度足够小。将万向柔性铰链建立杆件模型,由材料力学知识推导铰链各向刚度公式,利用Patran/Nastran建立有限元模型进行仿真验证,分析了结构参数对各向刚度的影响。根据性能指标和材料强度参数确定了柔性铰链最佳结构参数。另外,通过有限元软件对铰链进行强度校核。结果表明,设计的万向柔性铰链满足要求,总结出的铰链刚度特性规律对设计有一定指导意义。     

交叉簧片柔性虎克铰在静平衡仪中的应用及性能测试

通过对广义交叉簧片柔性铰链转角公式的分析,揭示了铰链刚度和仪器灵敏度之间的关系。为了避免垂直载荷的变化对铰链转动刚度的影响,设计具有恒定转动刚度的交叉簧片柔性虎克铰,并以柔性虎克铰为转动支撑单元搭建针对万向节装置不平衡力矩测量的两自由度柔性静平衡仪。通过对沿特定方向特定量不平衡力矩的测量,在0～7 000 g有效载荷范围内对仪器分别沿x轴和y轴不平衡力矩测量的同步灵敏度进行测试。结果表明,所搭建的柔性静平衡仪各轴的灵敏度约为1.1 g·mm,灵敏度基本不受仪器有效载荷变化的影响,而且仪器各轴同步测量的灵敏度基本一致。所设计具有恒定转动刚度的交叉簧片柔性虎克铰的转动性能及承载性能优良。     

某重卡橡胶悬架均衡梁球铰的改进研究

针对某重卡在行驶过程中出现的橡胶悬架均衡梁球铰轴向滑移脱出问题,对原橡胶悬架均衡梁球铰从结构上进行了改进,并将弹性材料由橡胶优化为聚氨酯。在台架试验台上,对改进前与改进后的均衡梁球铰垂向刚度和轴向刚度分别进行了试验,提取了改进前后均衡梁球铰的垂向刚度、轴向刚度试验值。同时结合ABAQUS有限元分析平台,建立了有限元分析模型,提出了利用非线性有限元法进行模拟分析的方法。通过模拟台架试验过程,对改进前、后的均衡梁球铰垂向刚度、轴向刚度有限元分析结果进行了评价。研究结果表明:将有限元分析结果与试验值进行了分析对比,两者最大差值为3.55%,有限元分析结果与试验值基本一致。改进后的均衡梁球铰在垂向刚度允许变化范围内,轴向刚度提升了约11.5倍。     

具有横向裂纹转轴耦合刚度的数值模拟和实验研究

采用有限元和实验分析研究轴向、剪切、弯曲及扭转载荷耦合作用下,含裂纹转轴刚度随各种影响因素的变化规律.采用Dimarogonas法推导6×6维裂纹转轴有限元刚度矩阵.确定网格划分方案,同时考虑d/l、a/R以及加载点与裂纹的位置关系.模拟计算结果表明,随着裂纹深度的增大,ξ向无量纲刚度的变化最快;裂纹深度在3 mm～4 mm时,ξ向、η向的弯曲无量纲刚度差有峰值.随着裂纹细长比的增大,弯曲和轴向的耦合刚度降低.随着裂纹深度比增大,弯曲和轴向的耦合刚度增大.结果与实验结果比较表明,文中方法是正确有效的,且接近实验结果.     

直圆柔性铰链加工误差对刚度的影响和有限元验证

柔性铰链是一种行程小,定位精度高的传动机构,对加工精度有较高的要求。针对柔性铰链关键尺寸3种不同的加工误差,通过建模和受力分析,推导了直圆柔性铰链存在加工误差时的转动刚度计算公式,以数值积分方法计算刚度误差,并拟合出一种无量纲的刚度误差公式。同时以有限元仿真对计算公式进行验证,对误差曲线进行比较,结果表明了较好的一致性,为柔性铰链的设计和加工提供参考。     

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。     

单轴对称柔性铰链计算机辅助设计系统

柔性铰链性能的好坏直接影响到微位移机构的精度、稳定性和耐久性.目前微位移机构正在向着高精度、微型化的方向发展,对柔性铰链的性能也提出了越来越高的要求.针对柔性铰链传统手工设计方法费时、费力、且精度不高的缺点,基于Visual Basic(VB)语言开发了一套单轴对称柔性铰链计算机辅助设计系统,圆形铰链实例计算表明:该系统实现了单轴对称柔性铰链设计与校验自动化,大大提高了设计效率和设计质量.计算得到的铰链柔度/旋转精度曲线组,不仅可用于考察符合设计要求的数据组,而且清晰地反映了铰链几何参数与其柔度、旋转精度间的关系,为下一步进行柔性铰链理论分析提供了有力的工具,为可靠、高效微位移系统的建立提供了良好的基础.     

工件主轴系统动态优化设计

以某滚齿机的工件主轴系统为研究对象,利用三维建模和有限元分析等相关软件,通过对前端轴承刚度、假轴轴向位置和工件主轴内径三个单因素参数的仿真,总结出工件主轴系统的端部静刚度、系统动刚度及系统一阶固有频率的变化规律。仿真结果表明存在单因素最佳值,并且假轴轴向位置对系统动刚度影响比较大,可以认为是较敏感因素,其余两个因素的影响较小,在以后的设计中可以不必过多考虑。     

双曲线弹性铰链的特性分析

为了得到一个结构紧凑、无摩擦、无磨损且高效率的微进给装置，分析了双曲线凹槽弹性铰链的特性，得到其在不同载荷作用下刚度的解析解，此外，还利用有限元的方法对弹性铰链的刚度和运动精度进行了校验。     

宏微直线压电电机微驱动机构设计与分析

为了解决宏微驱动直线压电电机微驱动位移较小、对宏动定位误差的补偿能力不足的问题,提出一种宏微驱动钹型直线压电电机。采用钹型复合压电叠堆为驱动单元替换压电陶瓷片组成的压电叠堆,实现轴向位移的一次放大,通过弹性拨齿的柔性铰链结构将钹型压电叠堆输出的微位移二次放大。该电机可在特定的驱动频率、工作电压和相位差下实现振子振动模态下的超声驱动,也可以通过微位移放大机构实现静态变形的微驱动(蠕动)。建立了该直线压电电机的三维有限元模型,利用有限元软件分别对弹性拨齿、钹型压电叠堆和复合振子进行静力学分析和静态优化设计。有限元仿真表明:基于柔性铰链结构的弹性拨齿经过优化后,最小刚度小于钹型压电叠堆的最小刚度;在相同条件下,优化后钹型压电叠堆沿轴向方向的静态变形量比由压电陶瓷片组成的压电叠堆的静态变形量提高了8.45倍;采用基于柔性铰链结构的弹性拨齿和钹型压电叠堆组成的复合振子的拨齿质点沿水平方向的静态位移量比优化前提高了12.1%,大幅提高了微驱动对宏动定位误差的补偿能力,为压电电机微驱动的结构设计及优化提供依据。     

高速卧式加工中心回转工作台刚度有限元分析方法

通过对高速卧式加工中心回转工作台机械结构、工况的分析,结合其刚度性能设计指标要求．建立了回转工作台有限元分析模型,并对其约束与工况载荷进行了计算与导入。基于ANSYS平台针对THS6350高速卧式加工中心回转工作台进行刚度分析,找出了工作台的最大应力、应变部位,并对其刚度进行了校核计算：分析结果表明,此工作台结构满足刚度性能和设计指标要求     

7500t起重船旋转机构轨道橡胶垫刚度对滚轮受力的影响

分析了7500t全旋转起重船旋转机构轨道橡胶压缩刚度变化对滚轮受力的影响。应用有限元软件ANSYS,建立了7500t全旋转起重船的三维计算模型。在不同橡胶压缩刚度情况下,对起重船吊装7500t货物的工况进行了分析计算。计算结果表明,橡胶压缩刚度越小,橡胶垫变形越大,前方正滚轮所受压载最小值越大,最大值越小,各滚轮载荷分布越均匀。     

内箝位型压电精密步进旋转驱动器

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动器。该驱动器以仿生运动的原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性,并对驱动器旋转分辨率、旋转速度、驱动转矩等方面进行试验研究。研制的内箝位型压电精密步进旋转驱动器能够实现高频率(40 Hz),较高速度(325 μrad /s),大行程(大于360°),高分辨率(1 μrad),较大驱动力矩(30 N·cm)等特点,有效提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能。该驱动器在精密运动、微操作、光学工程以及精密定位等精密工程中具有广阔的应用前景。     

单轴柔性滚弯成形的有限元分析研究

利用弹性介质(聚氨酯橡胶)对钣金件进行单轴柔性滚弯成形是一种先进的钣金制造工艺。论文介绍了单轴柔性滚弯的工作原理,同时,将大变形弹塑性有限元引入单轴柔性滚弯成形领域,利用高级非线性有限元软件MSC/MARC,建立了单轴柔性滚弯挤压矩形管成形过程的三维有限元模型,成功模拟了板料滚弯成形及回弹的实际过程,对工件滚弯成形过程的主要影响因素进行了分析,获得了滚轴的压入量、橡胶硬度、滚轴直径与回弹后工件的曲率半径之间的关系曲线。     

D56G90冷辗环机机架刚度分析

D56G90冷辗环机是应用冷辗扩技术制造轴承环件的设备,机架则是其关键部件之一,机架刚度对环件成型精度有重要影响.根据机床可拆装、组合式机架结构的实际情况,应用abaqus三维有限元软件,分析了机架在不同载荷(0～100kN)下的受力与变形的关系.机架纵向、横向、垂直方向的刚度系数约为4.24E 03 kN/mm、1.17E 04 kN/mm、4.0291E 05 kN/mm,刚度系数变化率分别为0.9%、0.0058%、2.92%.     

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。