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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

新型直圆柔性铰链的设计与分析

为了得到柔度更大以及回转精度更高的柔性铰链,设计了一种新型直圆柔性铰链。对两种铰链的柔度、精度以及疲劳寿命进行了比较分析。结果表明,新型直圆柔性铰链较传统直圆柔性铰链的柔度更大,回转精度更高。传统直圆柔性铰链的寿命可以认为是无限寿命,新型柔性铰链的寿命也接近无限寿命。因此,相对于传统直圆柔性铰链,新型柔性铰链具有更优的性能,符合铰链的设计要求。     

基于有限元法的单边混合柔性铰链的性能分析

提出一种新型的单轴柔性铰链结构型式-单边混合柔陛铰链,由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成.通过有限元方法,分析了一组不同导角半径的单边混合铰链设计实例,结果表明单边该混合柔性铰链相对于一般混和柔性铰链与单边柔性铰链具有更高的柔度.并得到其柔度应力比,可用于定量地比较各种柔性铰链的性能差异.提出的单边混合柔性铰链为面向结构紧凑、大位移、高精度的工程应用提供了有价值的参考.     

同步辐射光束线中柔性铰链的研究

详细推导了直圆柔性铰链所受力矩和角偏移量及受力和线性位移之间的对应关系等运动方程;对直圆柔性铰链材料的选取、直圆柔性铰链参数的设计进行了分析;介绍了在同步辐射单色器中以直圆柔性铰链为基础投角、滚角、摆角调节结构。     

基于挠曲线方程的柔性铰链转动柔度公式推导

利用材料力学和微积分的理论推导出了常用直圆柔性铰链转动柔度的计算公式,与至今一直沿用由J.M.PAROS给出的精确柔度计算公式相比,更简洁准确,更有利于直圆柔性铰链的设计和分析。并分析了直圆柔性铰链的结构参数对其柔度的影响,为直圆柔性铰链在压电微位移放大中的应用提供了一定的理论基础。     

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。     

Compliance-based matrix method for modeling the quasi-static response of planar serial flexure-hinge mechanisms

A matrix method is proposed to model the direct and inverse quasi-static response of constrained/over-constrained planar serial mechanisms with flexure hinges under bending, axial, and shear planar (three-dimensional) loading and small-deformations. The method uses a basic three-point compliance matrix corresponding to one rigid link and one adjacent flexure hinge that are subjected to one point load. This matrix connects the displacements at a point on the rigid link with the load that is applied at another point on it, and the deformations of the flexure hinge at its distal point. The quasi-static model of planar serial flexure-based mechanisms with multiple links under single/multiple point loading results from linearly superimposing all relevant hinge-link-load triads defined by their three-point matrices. A displacement-amplification planar device with right circularly corner-fileted flexure hinges is studied using several refinement stages of the matrix method to generate a model whose predictions are confirmed by finite element simulation.     

椭圆弧柔性铰链刚度简化计算及优化设计

本文主要研究了椭圆弧柔性铰链刚度的优化设计方法。首无,针对椭圆弧柔性铰链刚度计算公式过于复杂的问题,采用幂函数非线性曲线拟合的方法,推导了椭圆弧柔性铰链刚度的近似理论计算公式。然后,基于近似理论计算公式,分析了柔性铰链的精度特性及工作时的最大应力;采用GlobalSearch全域优化指令和Fmincon局域优化指令对椭圆弧柔性铰链工作方向的最大刚度进行了优化设计。最后,采用有限元仿真和实验验证的方法证实近似理论计算公式的适用性和优化结果的可靠性。验证显示:实验结果与近似理论计算结果的相对误差小于5%,表明提出的方法不仅省去了繁杂的有限元模型建立以及计算和修改的过程,大大提高了设计效率;而且通过优化计算可以得到椭圆弧柔性铰链的最大刚度。     

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。     

Dimensionless design graphs for flexure elements and a comparison between three flexure elements

This paper presents dimensionless design graphs for three types of flexure elements, based on finite element analysis. Using these graphs as a design tool, a designer can determine the optimal geometry, based on the stiffness and rotation demands of a flexure element. An example is given using the beam flexure hinge.Between the analyzed flexure hinges, a comparison is made on basis of equal hinge functionality: rotation. The result describes the maximum stiffness properties from different hinges in identical situations. A beam flexure element is preferred over a circular flexure hinge for stiffness demands in a single direction, while a cross flexure element enables medium stiffness in two perpendicular directions.     

单边椭圆柔性铰链的计算与性能分析

单边柔性铰链在要求结构尽可能紧凑的柔性机构中被采用.以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边椭圆柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,得出结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过与双边椭圆柔性铰链比较,分析了单边椭圆柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能,利用有限元方法对柔性铰链的柔度公式进行校验,结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于8%,为单边柔性铰链的工程设计提供了理论依据.     

基于闭环柔度解析式的双曲线形柔性铰链研究

提出了一种新型的单轴柔性铰链结构型式一单边双曲线形柔性铰链。以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础，推导了单边双曲线形柔性铰链柔度的闭环解析公式，在此基础上，推导出单边双曲线形柔性铰链的转动精度公式，对单边双曲线形柔性铰链的性能进行分析，得出了结构参数对其柔度性能的影响关系。并通过对双边双曲线形柔性铰链比较，分析了单边双曲线形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能，利用有限元和实验的方法对单边柔性铰链的柔度公式进行校验，结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于8％，实验结果和解析式的偏差在7％以内，为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考。     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。