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。     

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。     

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。     

柔性铰链精度特性研究

推导出了单轴柔性铰链的精度计算公式,它由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.提出了柔度精度比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链的特性提供了依据.用解析表达式计算了一组椭圆柔性铰链实例的精度和柔度,得到它们的柔度精度比,并比较了它们的性能优劣.结果表明直圆柔性铰链具有最佳的性能,可为柔性铰链的工程优化设计提供参考.     

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。     

椭圆导角混合柔性铰链的设计计算与性能分析

为满足柔顺机构的大柔度要求,设计了一类新型椭圆导角混合柔性铰链。首先,以卡氏第二定理为基础推导了柔度和回转精度的计算公式,在参数的极限条件下,椭圆导角结构演化出其他三种铰链形式：直圆导角、椭圆直圆和直圆柔性铰链,使得多种柔性铰链的柔度和回转精度的计算公式合并在一组方程中,通过有限元分析验证了计算公式的正确性。其次,讨论了结构参数对柔度、回转精度和柔度精度比的影响趋势,分析结果表明,柔度与回转精度随参数的变化趋势具有相反性,且减小最小厚度是提高柔度的最佳方式。再次,比较了所提四种柔性铰链的性能,椭圆导角混合柔性铰链具有最大的柔度但回转精度较低,而直圆柔性铰链具有较高的回转精度且综合性能也较优越,但柔度最小。最后,对椭圆导角和直圆柔性铰链进行了应用研究,研究结果表明,椭圆导角混合柔性铰链在回转能力和应力水平方面具有显著优势。     

变截面柔性铰链组合柔度计算法及其验证

柔性铰链是一种最基本的柔性结构,柔度是柔性铰链最重要的性能参数。充分利用柔性铰链的结构特征,提出组合柔度计算法。针对直圆型、导角型、椭圆型3种基本类型柔性铰链的结构特征进行分析,选择半个柔性铰链为研究对象,合理设置积分变量,得到半个柔性铰链的柔度计算式。利用半个不同类型柔性铰链进行组合,可得到单边、双边、单一型、复合型12种柔性铰链的组合柔度计算式。选择双边直圆柔性铰链、双边直圆椭圆复合型柔性铰链、单边直圆导角复合型柔性铰链,分别采用文中给出的组合柔度计算方法、其他文献中的柔度计算式以及有限元法对其柔度进行分析计算,并对结果进行对比分析,验证文中给出的组合柔度计算方法的正确性与有效性。     

混合型柔性铰链研究

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式--混合柔性铰链,它由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.提出了柔度应力比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链提供了依据.通过有限元方法,分析了一组不同导角半径的混合铰链设计实例,并得到其柔度应力比值.结果表明该混合柔性铰链的性能远高于直圆柔性铰链.设计的混合柔性铰链为面向高精度、大位移的工程应用提供了有价值的参考.     

新型直圆导角复合型多轴柔性铰链的柔度计算及其性能分析

设计出一种新型多轴柔性铰链--直圆导角复合型多轴柔性铰链,以卡氏第二定理为理论基础,推导了柔度计算式。利用所得结果进行实例计算,并进行有限元分析,通过结果对比验证了计算式的正确性。定义了铰链的厚长比λ,分析了柔度相对误差与λ之间的关系。利用所得柔度计算式,分析了铰链结构参数对其柔度的影响。通过与直圆型多轴柔性铰链的对比,得出直圆导角复合型多轴柔性铰链的转动能力与对载荷的敏感性均优于前者的结论。     

异形非对称柔性铰链力学特性的研究

基于大柔度混合柔性铰链设计理念,提出了一种非对称式直圆摆线混合柔性铰链,并对其力学特性进行了研究。基于悬臂梁弯曲理论和微元法下的胡克定律,通过选取合适的积分变量与中间变量,得到较为简洁的转动柔度和拉伸柔度的计算公式,并给出了最大应力的计算公式;讨论了转动柔度和最大应力随参数的变化趋势,比较了结构参数对转动柔度和最大应力影响的显著程度。结果表明,转动柔度、拉伸柔度和最大应力解析式的最大误差分别在7%、5%和5%以内;转动柔度与弹性模量、宽度和最小厚度成反比,与直圆半径和拱高参数成正比,且对最小厚度的变化最为敏感,宽度次之,拱高参数和直圆半径最弱;最大应力与宽度、最小厚度和直圆半径成反比,且对最小厚度的变化最为敏感,宽度次之,直圆半径最弱。     

柔性铰链转动刚度计算公式的推导

柔性铰链作为无摩擦的支点有着成千上万的应用，以力学的基本公式和微积分为基础，给出了一般柔性铰链转动刚度计算公式的推导过程。在此基础上，得出了常用的直圆柔性铰链的设计计算公式，计算公式是精确的推导结果，且在表达上较迄今沿用的Paros给出的柔性铰链精确设计计算公式来得简洁，有利于柔性铰链及其机构的计算和分析。当直圆柔性铰链的切割半径与最小厚度相当时，Paros给出的简化公式存在一定的误差，这里的计算公式尤其适用于该类直圆柔性铰链。     

Design and analysis of a multi-notched flexure hinge for compliant mechanisms

This article presents a new multi-notched flexure hinge, which consists of two right circular and two parabolic notches, for positioning stages based on compliant mechanisms. First, the configuration of the presented multi-notched hinge is obtained using topology optimization, and the final shape is proposed based on post-processing. Second, the dimensionless empirical equations for the stiffness, rotational precision and stress levels of the flexure hinges are developed using finite element analysis (FEA). Third, based on the established equations, the influences of the geometric parameters on the performance of the flexure hinge are investigated. Finally, to further understand the characteristics of this type of flexure hinge, comparisons with flexure hinges of various shapes are performed in terms of stiffness, rotational precision and stress levels.     

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.     

三种形状柔性铰链转动刚度的计算与分析

本文针对3种形状的柔性铰链进行力学分析，推导出它们各自绕z轴的转动刚度计算公式；通过计算、比较和分析得出柔性铰链中外形、几何尺寸等设计参数对转动刚度的影响程度。根据分析结果确定3种形状柔性铰链各自的微制造工艺及适用场合，为MEMS中柔性铰链的设计与应用提供一定的依据。     

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。     

新型桥式机构放大率的计算、分析和实验验证

单边直圆形柔性铰链在结构上更紧凑、体积更小,本文提出了一种新型的基于单边直圆形柔性铰链的桥式机构,建立机构1/4结构的力学分析模型,并推导出该机构放大率的理论计算公式。为了验证公式,先采用有限元软件ANSYS仿真分析,再加工出实物进行测试。验证结果表明:理论计算值与有限元仿真值、实验测试值都非常吻合,误差分别为1.94%和4.84%,从而证明放大率理论计算公式的准确性。     

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。