倒圆角弹片式柔性铰链刚度及频率调节研究

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精密设备在工业制造中起着越来越重要的作用。为达到精确的运动输出,精密设备对设计,材料以及加工都有极高的要求。动态特性对精密设备的位移输出有很大的影响,一些高速高频的精密设备需要在不同的驱动频率下进行工作,机构的动态特性需要与之匹配。柔性铰链是实现微纳米级精密运动输出的基本构件。目前常用的柔性铰链在传递较大位移时,由于应力集中或严重的局部变形会产生很大应力,会严重影响机构的疲劳寿命,这对高频高速的工作场合尤为重要。  倒圆角弹片式柔性铰链可以通过增加圆角半径来降低应力集中的影响,同时由于铰链是整体变形在传递较大位移时也不会产生很大的应力。根据弦振动理论,柔性梁在受到张紧力时刚度频率会发生变化。本文对柔性铰链的刚度、应力集中系数以及刚度频率的调节进行了研究,用于解决柔性铰链的静刚度设计以及动态特性调节设计的问题。  基于欧拉-伯努利梁假设,建立了倒圆角弹片式柔性铰链在固定-导向和固定-固定约束下的刚度计算模型。根据力法和卡氏定理对刚度公式进行了推导,推导结果通过有限元软件进行了验证。  根据大量的有限元分析结果,对柔性铰链在固定-导向和固定-固定约束下的应力集中系数进行了研究,经过分析发现,圆角半径与最小厚度之比是影响应力集中系数的主要参数。通过曲线拟合的方式,获得了固定-固定和固定-导向柔性铰链的应力集中系数经验公式,最后通过有限元软件进行了验证。  基于弹片式柔性铰链,倒圆角弹片式柔性铰链以及直圆型柔性铰链设计了三种等刚度的双平行四杆导向机构。通过有限元软件对三种导向机构刚度进行了验证,并对比了其应力水平。最后,对三种施加相同动载荷的导向机构进行了疲劳分析,结果显示,倒圆角弹片式柔性铰链可以有效的延长导向机构的疲劳寿命。  对倒圆角弹片式柔性铰链在张紧力作用下的刚度频率进行了研究,并分别通过直接刚度法和振型假设法推导了柔性铰链的等效刚度公式,基于动能等效原理计算了柔性铰链的等效质量。通过有限元分析对两种方法算的等效刚度公式进行了验证,结果显示基于振型假设计算的等效刚度具有更高的精度。基于等效刚度和等效质量给出了频率计算公式。最后通过有限元软件和实验法对频率公式进行了验证。  
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