LET柔性铰链的等效刚度分析及其参数优化

分析了表示LET柔性铰链转动能力的扭转等效刚度,为确保铰链的转动精度提出了拉压等效刚度的概念并推导出其计算公式。以LET柔性铰链的结构参数为设计变量,提高转动能力和转动精度为目标,建立了铰链的优化模型;采用模拟退火法实现了LET柔性铰链的参数优化,并对优化前后铰链的转动性能进行了分析比较。结果表明,优化后铰链的转动能力和转动精度比优化前都有了明显提高。     

基于动态等效刚度的平面柔性铰链建模与分析

提出一种能够实现虎克铰功能的平面柔性铰链。在分析平面柔性铰链自由度的基础上扩展铰链的运动形式,对铰链的两种位姿建立一种动态等效刚度计算的理论模型,借助Gauss拟合探究大变形位姿下刚度的非线性变化规律,并在有限元平台上验证了模型的正确性。根据理论模型对铰链整体的刚度变化特点进行了分析,探讨了铰链的性能特性。最后将该平面柔性铰链引入6DOF并联隔振平台,采用ADAMS、ANSYS联合仿真对所建新平台进行刚柔耦合动力学分析。结果表明,该平面柔性铰链在满足虎克铰运动要求的同时还能够有效避免虎克铰间隙引起的振动传递率突变问题。     

基于刚度误差的直角柔性铰链设计可行域分析

应用伪刚体方法设计直角柔性铰链双柔性平行四杆结构时,为满足臂杆为刚性杆的假设,要求臂杆厚度远远大于柔性铰链厚度.设计常根据经验,缺乏相关的理论依据.本文通过对直角柔性铰链平行四杆结构进行刚度误差分析,得到臂杆等效为刚性杆的设计可行域.首先利用积分法求得考虑臂杆变形的精确刚度;然后利用有限元分析方法验证此刚度为精确理论计算刚度;最后,分析虚功原理法求得的理想刚度和积分法精确刚度之间的相对误差,研究其随结构参数的变化规律,并得到臂杆等效为刚性杆的值域,即应用伪刚体模型设计直角柔性铰链双柔性平行四杆的设计可行域.     

考虑构件弹性的电动Stewart并联机构刚度建模与仿真

基于集总解析建模方法和构件有限元分析建立包含驱动副、被动万向铰链和运动杆件弹性变形以及预载作用下的Stewart机构刚度矩阵模型。采用添加虚拟铰链等效构件弹性的方式,将分支等效为一系列刚性构件经由主、被动副以及虚拟铰链连接的形式,给出了运动关节和虚拟铰链变量对机构末端位姿的运动学Jacobian矩阵的数值计算方法,应用虚功原理得到静平衡方程,最终建立了机构无预载以及预载下的刚度矩阵模型。该模型不仅考虑了控制环路刚度,还将构件柔性的有限元分析结果与解析建模相结合,在降低计算成本的同时保证了精度。通过一机构分析实例,考察了两种模型下刚度分布的差异。     

基于高频柔性并联激振台柔性转动关节的加工误差分析

 柔性关节因其结构上的优越性已逐步取代传统刚性关节被运用到高频激振领域中.加工误差是一类不可避免的误差,其对柔性铰链工作性能产生了一定的影响.在分析柔性铰链宽度制造误差等5类结构参数误差的基础上,运用Paros J刚度计算公式和Smith S T的误差分析方法建立了加工误差模型,并运用有限元方法模拟了柔性铰链在实际工作条件下的受力变形状况,发现不同的加工误差对柔性关节的刚度影响程度不同,其中厚度误差的影响最大,验证了加工误差模型的准确性.     

一类桥式直接耦合柔性机构的刚度与应力分析

分析了一类桥式直接耦合柔性机构的精确的刚度和应力模型.分别采用伪刚体模型和卡氏第二定理推导了该柔性机构理论刚度模型,利用两个理论模型与有限元模型的结果进行对比,并采用正交实验法全面分析了柔性铰链的寄生刚度和旋转刚度的精度对其刚度性能的影响.研究结果表明：该柔性机构的寄生刚度影响较小,误差贡献率小于3%;旋转刚度的精度影响较大,通过选择精确的旋转刚度公式可以得到精确的理论刚度模型,同有限元结果相比其误差在t/r〈0.65范围内小于8%;与设计实验及其对应的有限元结果的误差分别为4%和3.96%,验证了刚度模型的正确性.基于刚度模型推导了该柔性机构的应力模型,运用正交实验法与有限元结果进行对比,误差小于4%,验证了应力模型的正确性.     

柔性铰链可倾瓦轴承动静态特性研究

针对一种新型的椭圆型柔性铰链可倾瓦轴承,在柔性铰链刚度建模的基础上,通过建立轴瓦油膜厚度模型及轴颈和轴瓦的平衡模型,采用有限差分法及牛顿迭代法,研究了柔性铰链可倾瓦轴承中柔性铰链的旋转刚度对轴承的动静态性能的影响规律。研究结果表明:柔性铰链旋转刚度越小,轴承越接近普通可倾瓦轴承,稳定性越好;并得出了适于柔性铰链可倾瓦轴承应用的柔性铰链旋转刚度参考范围,为这类轴承的应用设计提供了参考。     

一种带有过载保护功能的二维转动柔性铰链

本文提出了一种二维转动的柔性铰链结构,其可以实现绕杆件轴线和垂直于杆件轴线两个方向的转动,同时具有保护柔性铰链不被破坏的作用。结合有限元分析采用各个方向刚度计算的方式对该柔性铰链的自由度进行验证,该柔性铰链满足两自由度转动的运动性能。对其承载能力、运动范围、力与变形的关系以及中心轴线偏移情况进行了分析。推导了其承载能力和运动范围与结构尺寸的关系,并且其力与变形程良好的线性关系,并且中心线偏移量很小。     

新型柔性铰链的柔度计算

在力或力矩作用下,柔性铰链将会产生相应的微弹性变形,其柔度性能是表征载荷与形变关系的量度,直接影响着柔性铰链的运动精度和综合性能.目前柔性铰链的设计一般基于繁琐的数值积分方法和有限元技术来计算柔性铰链的性能指标.在提出一种新型柔性铰链的基础上,基于弹性静力学基本公式和微积分理论,推导出一种新型柔性铰链的柔度计算公式,为新型柔性铰链的设计提供了理论依据;严格推导出柔性铰链中心轴线上任意位置的变形公式,实现了柔性铰链的精确设计计算.采用ANSYS软件对理论公式的准确性进行验证,两种结果十分吻合.     

六自由度微动工作台柔性铰链设计

主要介绍了用于六自由度微动工作台的柔性铰链即双向柔性铰链和万向柔性铰链的设计过程，根据微动台中柔性铰链的设计要求，分析了微动台运动时驱动力与铰链变形的关系，确定了满足驱动力条件的柔性铰链刚度范围，并结合柔性铰链强度条件、工作台动态特性以及柔性铰链转角刚度与结构尺寸的关系，进一步确定柔性铰链的刚度和结构尺寸，合理设计柔性铰链．另外，通过有限元分析软件分析了柔性铰链最大受力时的应力分布情况．对柔性铰链的强度进行了校核，进一步保证了柔性铰链设计的正确性．     

Failure analysis and performance comparison of Triple-LET and LET flexure hinges

A new type of flexure hinge named the Triple Lamina Emergent Torsional (Triple-LET) was proposed in this paper. Its 3D structure was designed, and its equivalent bending stiffness was also derived. Based on the equivalent formula and the finite element simulation analysis, the equivalent bending stiffness of the Triple-LET and the LET flexure hinge with the same overall dimensions were analyzed and compared. It was concluded that under the same torque, the Triple-LET flexure hinge can realize larger deformation than the LET flexure hinge. Thus, the proposed new flexure hinge is presented as a compliant joint suitable for applications where large angular rotation is desired. Failure analyses of the Triple-LET and the LET flexure hinges were also carried out, respectively. The analysis results show that the Triple-LET flexure hinge made of polypropylene can reach 180° with no plastic deformation, while the LET flexure hinge with the same overall dimensions will plastically deform once the bending angle is greater than 161.4°. The results also indicate that the range of bending angles of the Triple-LET flexure hinge made of beryllium bronze is from 0° to 128.2°, which is two times larger than that of the LET flexure hinge.     

两种典型柔性铰链导向机构的稳定性分析

为了分析两种柔性铰链导向机构的稳定性以及柔性铰链参数对导向机构稳定性的影响,本文结合卡氏位移定理和能量法,分别推导了柔性铰链导向机构在运动方向、垂直于运动方向和绕z轴转动方向的刚度计算公式,并应用推导公式对两种导向机构3个方向上刚度进行实例对比,分别计算其3个方向上的谐振频率,并根据谐振频率分析稳定性.最后改变柔性铰链的参数,用MATLAB分析其对导向机构稳定性的影响.结果表明,刚度推导公式的有限元验证和理论计算结果误差在1.10%~13.79%,证明了推导公式的正确性;同时,谐振频率的理论计算数据对比表明双平行四杆导向机构具有更好的稳定性,MATLAB分析得出铰链的切口半径r对微动平台的稳定性和承载能力影响程度最大.谐振频率的对比分析和柔性铰链参数对稳定性的影响分析为微动平台设计时导向机构的选取提供了参考.     

大行程串联柔性机构分析与设计

为提高柔性支承精密定位系统的行程,以传统直圆型柔性铰链为基本单元,提出一种新型大行程串联柔性机构.刚度与最大应力是影响大行程柔性机构性能的两个重要参数.采用伪刚体模型法,结合材料力学相关理论,建立了该柔性机构刚度和最大应力的理论模型.理论计算结果与非线性有限元分析结果相符,证明理论模型的正确性.在此基础之上,分析了大行程串联柔性机构的设计方法,验证了设计实例在大行程内的可靠性.脉冲响应测试实验结果表明由大行程串联柔性机构支承的精密定位系统定位误差不大于60nm.     

Key features of flexure hinges used as rotational joints

This article is supposed to serve as a guide for the design of flexure hinges that act as rotational joints. Firstly, flexure hinges with concentrated and distributed compliance are reviewed. They can be modeled by linear beam theories or by the theory of Elastica, respectively. Secondly, the transition between these limit cases is investigated by finite element methods (FEM). A planar symmetric flexure hinge with a circular notch serves as an exemplary geometry. By extending the notch the compliance is distributed. The deflection curves and the kinetics of desired and parasitic motions are chosen as key features to be studied. The corresponding results are compressed into a pseudo-rigid-body model (PRBM) approximation for a range of geometries. It turned out that the concentrated compliance matches best with an ideal rotational joint, but even for small displacements large stresses occur so that its range of operation is small. Distributing the compliance increases the range of operation, however stiffness within the task space decreases dramatically so that the design of a flexure hinge becomes a tradeoff between the two concurring goals large stiffness and large range of operation.     

直角柔性铰链的力学特性

为了深入分析精密传动用柔性铰链的机械性能，在研究常用结构形式柔性铰链力学特性的基础上，对变形敏感的直角柔性铰链的力学特性进行了分析．建立了直角柔性铰链空间力学模型，推导了空间刚度矩阵表达式．在此基础上。从柔性铰链基本结构尺寸等方面研究了影响柔性铰链刚度性能的因素，研究发现影响柔性铰链变形性能的刚度系数与柔性铰链几何尺寸参数和构成柔性铰链材料的弹性模量密切相关．研究表明，当柔性铰链的有效长度增加或材料的弹性模量降低时，其各方面的刚度系数均有不同程度的降低．研究工作对深入分析柔性铰链力学特性、优化设计压电驱动器结构，提高其综合性能具有一定的意义．     

用于光学调整的二维纳米级微动台的设计分析

研究开发了一种用于光学调整的二维压电驱动的纳米级微动工作台,建立了工作台的力学模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿X、Y方向刚度及前二阶固有频率的解析式。通过微动工作台固有频率及沿X、Y方向刚度的实验测试,验证了解析方法和有限元方法用于微动工作台设计分析的可行性。有限元分析结果表明,可通过改变直角平板柔性铰链的特征参数,达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出一种初选微动工作台柔性铰链参数的简易方法。     

Measuring the cross-anisotropy of hot-mix asphalt

This study measures the cross-anisotropy of gyratory, kneading and field-compacted hot-mix asphalt samples of two sizes. One set of cube samples were subjected to compression through the top face and the other set through the side face. In addition, two sets of beam samples were tested for flexure stiffness using load on both the top and side faces. Results show that the side faces can sustain an average compressive stress of 0.89, 0.91 and 0.77 times of the top faces for kneading, gyratory and field-compacted cube samples, respectively. The average flexure stiffness of the side face is 0.85 times of that of the top face. For comparison, finite element model (FEM) was developed to predict pavement stress–strain under wheel load. In addition, stress–strain data from a field-instrumented pavement section on Interstate 40 in New Mexico were collected. The FEM-simulated vertical stress shows a close match with collected stress at cross-anisotropy value of 0.8.     

冷轧铝带卷取内部应力有限差分仿真研究

目的研究冷轧铝带卷取内部应力的分布情况以及影响因素,为铝带卷筒的设计提供参考。方法通过冷轧铝板压缩实验,测定铝带径向压缩系数与应力的关系曲线;采用非线性有限差分法对卷取过程和内部应力进行仿真;分析线性、一次非线性和二次非线性材料模型以及卷筒刚度对带卷内部应力分布的影响。结果径向压缩系数的理论值与实验值有较好的一致性,卷筒刚度对铝带卷内层应力影响较大,而对外层影响很小,卷筒刚度较小时,在卷芯处容易产生塌卷缺陷,卷筒刚度较大时,容易出现扁卷现象。结论计算带卷内部应力分布时,需要考虑铝带卷的各向异性以及层与层之间的紧密程度,合理选择卷筒的刚度对提高卷取质量有很大的实际意义。