直角柔性铰链单平行四杆机构输出位移分析

为了分析直角柔性铰链单平行四杆机构在导向过程中的导向位移及耦合位移,根据其结构的对称性,在对支撑结构进行受力分析和变形分析的基础上建立了单个支撑的半段梁模型,采用椭圆积分法推导了导向梁在大载荷下导向位移及耦合位移计算公式,最后采用有限元方法和实验对理论模型进行验证,并分析了造成理论值、仿真值和实验值之间出现误差的原因.研究结果表明,在柔性梁的弹性范围内,力与导向位移近似成线性关系,与耦合位移成类指数关系,理论值和实验值之间的最大误差分别为5.1%和8.5%;理论、仿真和实验所得的导向位移-耦合位移曲线基本重合.     

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.     

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.     

柔性对称微位移放大机构性能分析方法的研究

柔性铰链微位移放大机构的性能分析,通常采用柔度静力学分析方法,该方法分析过程复杂,柔度计算量大.为此,提出一种新的分析方法,将柔性铰链转换为刚性铰链并在其上加一等效刚度系数为k的扭簧,采用虚功原理对机构进行分析求解,推导出微位移放大机构输入位移、输出位移的计算式,进而求得机构的放大比.采用上述方法对柔性八杆对称微位移放大机构进行性能分析,将所得的分析结果与柔度静力学分析法、有限元分析法的分析结果进行对比,三者具有很好的一致性,验证了该方法的正确性.该方法充分利用了机构的对称性,使得分析求解过程得到了很大程度的简化.     

一种非对称式压电驱动微夹持器

针对微管类(直径0~300μm)零件的夹持需求,基于有限元分析设计了一种非对称式压电驱动的微夹持器.该微夹持器采用柔性铰链实现压电陶瓷输出位移的传递和放大.采用平行四杆机构实现夹钳末端的平行移动.通过检测柔性铰链处应变的方法,间接地测量夹持力和位移信息.微夹持器的实验特性显示位移的放大倍率为5.6倍,夹持器末端夹钳可以实现平行移动.力和位移标定实验中显示夹持力的分辨力在2.41 m N,位移的分辨力在0.22μm,且力/位移与应变具有很好的线性关系.采用增量式PID的控制算法对系统进行力/位移的闭环控制.以微型玻璃管(直径150μm)夹持为例,系统的阶跃响应实验显示,系统的力/位移控制可以实现无超调.实验结果表明增量式PID控制算法可以实现对本微夹持器力/位移的准确、稳定控制.     

典型柔性铰链回转精度性能计算与分析

针对柔性铰链转动中心偏移引起的误差，推导了柔性铰链回转精度计算的数学模型，以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础，通过建立恰当的坐标系，推导出典型柔性铰链转动中心精度的统一解析形式，并用推导的解析式计算了单边直圆、单边抛物线和单边正割曲线形柔性铰链的转动精度．利用有限元方法对柔性铰链的转动中心的柔度解析式进行校验，结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于9％；通过定义转动中心的柔度比函数，分析了柔性铰链的结构参数对其转动精度的影响，并比较了这几种柔性铰链的转动精度性能，为柔性铰链的工程设计提供了理论依据．     

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.     

柔性对称微位移放大机构的分析与仿真

柔性铰链微位移放大机构在精密机械中的应用日益广泛.依据卡氏第二定理,采用基于柔度的静力学分析方法对柔性机构的运动特性进行分析,给出了机构中任意节点处位移的计算式.在此基础上,对柔性对称微位移放大机构进行了分析,建立了微位移放大机构输入、输出位移及其放大比求解的数学模型.利用所建立的模型,采用MATLAB编程对柔性对称微...     

纳米级定位精度弹性位移缩小机构的仿真与实验

研究了一种具有纳米级定位精度的弹性位移缩小机构．该机构采用柔性铰链杠杆结构，这种弹性位移缩小机构可以将传统螺母丝杠系统精度提高到纳米级，同时非线性、迟滞误差小．首先采用刚体模型建立了弹性位移缩小机构的理论模型；然后运用ANSYS有限元软件分析了弹性位移缩小机构的特性；最后使用双频激光干涉仪对弹性位移缩小机构的输出特性进行了测量．理论与实验结果表明，理论模型可以较好地反映输入与输出的关系，可作为设计弹性缩小机构缩小率的重要依据；有限元模型计算结果与实验结果接近；实验结果表明，该装置行程可达10μm，分辨率可达10nm．     

典型柔性铰链柔度性能的计算与分析

以结构力学中卡氏第二定理为理论基础,通过引入恰当的积分变量,建立了计算一般单边柔性铰链柔度性能的统一数学模型,并用推导的解析式计算了单边直圆、单边抛物线和单边正割曲线形柔性铰链的柔度性能,利用有限元方法对柔性铰链的柔度解析式进行校验,结果表明有限元与封闭形式近似解的相对误差小于9%,通过定义柔度比函数,分析了柔性铰链结构参数对其柔度性能的影响关系,并比较了这几种柔性铰链的柔度性能,为柔性铰链的工程设计提供了理论依据。     

木托盘有限元分析精度的影响因素

目的研究有限元软件模拟木托盘抗弯性能时各因素对其分析精度的影响。方法对木托盘的抗弯性能进行理论分析和有限元模拟。通过计算铺板力学模型得到理论变形值;将Creo软件建立的托盘模型导入Ansys Workbench进行分析,得到有限元模拟值。采用控制变量法,改变单元类型和网格划分方式,并将结果与理论计算值进行对比分析。结果采用软件默认的单元类型和经网格划分方式等得到的整体位移结果与理论值的误差为2.97%。通过对各影响因素的调整,顶铺板的位移结果与理论值的误差为0.02%。结论单元数量相同的情况下,高阶单元的分析精度优于低阶单元,六面体单元优于四面体单元。保持其他设置条件不变,细化网格可提高分析精度。     

基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台设计与分析

针对由压电陶瓷驱动的微定位平台工作行程不足的问题，设计了一种基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台。考虑到不同柔性铰链的物理特性，通过差异化的铰链组合方式来优化新型二自由度微定位平台的性能，使其具有较快响应速度和大范围输出位移。基于拉格朗日定理，构建了新型二自由度微定位平台的刚度模型，并推导了其固有频率的解析表达式。有限元仿真结果表明，该二自由度微定位平台刚度模型的误差较小，验证了刚度建模方法的准确性和可靠性。研究结果可为柔性精密微定位平台的构型设计和建模分析提供一定的理论指导。     

双轴椭圆柔性铰链的设计计算

利用矩阵论、能量法、卡氏第二定理和微积分的知识推导出了双轴椭圆柔性铰链设计计算公式,并用有限元分析方法对所推导的公式进行了验证。实际应用和ANSYS软件分析的结果表明了所推导的双轴椭圆柔性铰链的柔度计算公式是正确的,是可以用于实际双轴椭圆柔性铰链的设计计算的。     

尺蠖驱动器箝位机构的优化设计

箝位机构的性能直接影响尺蠖驱动器的性能,为满足尺蠖驱动器箝位机构输出力大、响应速度快和结构紧凑的工作要求,设计了单切口柔性铰链桥式箝位机构.该柔性机构的设计必须综合考虑机构的静动态特性,为此,建立了该机构的理论模型,通过刚度和固有频率的试验测试以及有限元分析,发现结构紧凑的小尺寸桥式柔性机构的理论模型误差较大,很难建立简单精确的理论模型.因此,利用有限元法研究了该柔性机构各几何参数对其静动态特性的影响,并通过改变该柔性机构的几何参数,实现对该柔性机构的静动态特性进行优化,以达到设计要求.结果表明它是一种简单有效的桥式耦合柔性机构的优化设计方法.     

Application of Piezoelectric Actuator and Compliant Structures to Achieve Flapping Wing Motion for a MAV

Micro Aerial Vehicles(MAVs)are the smallest artificial aircraft.Most of the flapping wings MAVs are powered by electric motors of various capacities.We report in this paper the application of piezoelectric actuators as power system for a flapping wing MAV using a compliant displacement amplification mechanism.The actuator used for this application is a pre-stressed cut piece of TH-7R type Thunder actuator.A two-bar compliant mechanism with two flexures has been developed to convert the linear displacement into angular movement and amplification.The specimens were made from carbon fiber links and nylon flexures.We also proposed to use the product of frequency(F)and tip displacement(D),F*D as a criteria for the characterization of an amplifying mechanism.The best specimen according tO this criterion is obtained for a 5mm length flexure specimen made of three layers of nylon.The F*D value obtained for this specimen was 0.58 Hz.m.ANSYS finite element analysis results for different flexural thickness and Iengths were obtained and have been compared to the experimental results.The effect of both the thickness and length of the flexure on a particular arrangement has been discussed.     

Identification algorithm for fracture parameters by combining DIC and FEM approaches

This research program focuses on a hybrid experimental and numerical approach to identifying the mechanical state in the vicinity of a crack. The digital image correlation, as corrected by interpolating a theoretical displacement field, enables determining the crack opening intensity factors representative of the kinematic state of crack lips. A finite element model is introduced for calculating stress intensity factors. The parallelism derived from the DIC method and FEM approach is presented by means of a specific identification algorithm that allows computing the energy release rate within a common finite element mesh. This algorithm is then illustrated by testing the opening-mode configuration for a PVC sample.     

基于代理模型的功能梯度梁的材料特性参数反求

针对功能梯度材料参数的反求问题,提出了一种基于代理模型的反求方法。应用有限元软件建立功能梯度梁的波动响应模型,获得模型在激振力作用下的动态位移响应。通过试验设计选取合理的样本点,建立响应面模型代替有限元软件作为程序的正问题求解器,遗传算法作为反问题求解器,用添加不同噪声水平的峰值位移来模拟反求模型的实际输入作为整个算法的输入数据,最终获得材料的体积参数。以实际SiC-C功能梯度梁为算例,分析了单次正弦激振力下,有限元软件获得的动态响应,并根据获得的位移响应应用遗传算法来反求SiC-C梁的体积分数。算例验证了本方法的有效性。基于代理模型的反求方法避免了多次调用正问题求解器,提高了计算效率。