【《大变形柔性铰链的设计探析案例》3900字】

大变形柔性铰链的设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18664大变形柔性铰链的设计分析案例 1116781.1大变形柔性铰链的结构设计 1130041.2大变形柔性铰链等效弹簧模型 474231.3大变形柔性铰链有限元建模 7302411.4大变形柔性铰链性能分析 10为保证柔性铰链的柔韧性和稳定性，首先要确定其变形能力，设计大变形柔性环。此款铰链一般拥有较长的柔性片段，平面铰链利用起其柔性片段的弹性变形实现其运动，在此基础上也可以进行变刚度设计。本章结合现阶段柔性铰链的设计基础上设计出一款大变形柔性铰链，将柔性片段布置在两个刚性构件之间，通过柔性片段的设计可以实现较大转角位移，具有结构简单、便于加工制造、生产过程节能环保等优点。本章给出铰链的等效弹簧模型，推导计算铰链等效刚度的理论公式。大变形柔性铰链的结构设计柔性接头是在柔性段弯曲和扭转时进行的。在以往的柔性接头设计中，柔性段的数量和长度通常受到限制，导致相对刚度较大，避免了大的角运动，影响了关节的旋转性能，且柔性片段通常都被固定，刚性连杆之间距离较远。基于上述思路设计了大变形柔性铰链，将柔性片段布置在刚性连杆中间，此时，柔性段与刚性连杆之间没有干涉或接触，使枢轴具有良好的弯曲特性，通过加入柔性段，两刚性连杆之间的距离不会很远，影响在运动精度上比较小，设计出的铰链的模型及具体尺寸参数分别如图3-1和3-2所示。图3-1大变形柔性铰链三维模型图3-2大变形柔性铰链尺寸大变形柔性接头尺寸如图所示。（3–2），铰链厚度t，刚性连接“T”ur，长度l区域的变形，两个刚性连杆之间的距离d，具有宽度wt的柔性截面，刚性连杆段宽度wcc，刚性连杆之间的距离和柔性段wcr，w表3-1大变形柔性铰链尺寸参数尺寸ttldwwww数值/mm0.51.54721.52236为了能很好地研究铰链的变形特性，消除连杆刚性截面变形对铰链刚度的影响，提高刚性部分与柔性部分之间刚度的比值，所以设置了不同厚度的刚性连杆和柔性片段部分。该铰链关于水平方向和竖直方向对称，根据铰链弯曲时各柔性段的基本变形情况，可分为弯曲段和扭转段，由于各柔性段的长度不同，铰链共包含四个扭转段，分别是片段1、3、5、7；以及4种弯曲片段，分别是柔性片段2、4、6、8。如图3-3所示。相比柔性片段，刚性连杆变形相对较小，在计算过程中予以忽略。图3-3大变形柔性铰链柔性片段布置方式这其中柔性片段的长度分别如下表所示表3-2各柔性片段尺寸尺寸llllllll数值/mm5231220516540如图3-3所示给出的大变形柔性铰链柔性片段布置方式布局合理，各柔性片段之间既不会发生相互干涉，又有效利用了空间，在保证整体结构完整性的同时也具有较大变形能力。大变形柔性铰链等效弹簧模型与传统的刚性铰链相比，等效刚度是柔性铰链大变形设计过程中必须考虑的问题，是柔性铰链的重要特性，直接影响其在实际应用中的性能。过程，将柔性铰链的刚度等同于常数keq,bend要计算高应变铰链的等效弯曲刚度，可以将每个弯曲和扭转截面等同于相应的弯曲或扭转弹簧，根据弯曲截面组合这些等效弹簧，创建等效弹簧模型，并使用弹簧刚度计算等效弯曲刚度回路keq,bend的公式（公式，弯曲），在大变形回路上从下方对称，在等效弹簧模型中，kkeq,send其中，挠性段1、3、5、7为扭转，应用回位弹簧等效，2、4、6、8项为弯曲，应用弹簧曲线等效，如图3-4所示即为大变形柔性铰链的柔性片段所对应的弹簧，k1图3-4大变形柔性铰链柔性片段对于弯曲片段（对应该大变形柔性铰链的柔性片段2、4、6、8），其等效刚度可以根据计算了该梁的理论曲线的端部旋转角度截面长度θ0在l0θ则M=其中E是材料的杨氏模量，IB是弯曲片段横截面的转动惯量。因此，对于每一段弯曲，等效弹簧刚度为kB其中li如图3-5所示即为大变形柔性铰链柔性片段的等效弹簧模型。图3-5大变形柔性铰链柔性片段等效弹簧模型这只后，对于扭转片段，圆梁扭转变形的计算方法和计算公式已被许多科学家提出，各扭转截面的等效刚度可表示为：k式中G为材料的剪切模量，k为心，i为与截面形状尺寸有关的参数，类似于圆形截面的极限惯性J，可用无穷级数的形式将其kik这其中kik消除式（3-8）中的高阶项，并对其简化可得下式：k为保证计算的准确性和精度，以及优化计算过程，本节采用公式（3-8）计算扭转截面参数k由上述公式（3-2）—（3-5）计算得出的柔性弯曲片段的等效刚度如表3-3所示表3-3弯曲片段等效刚度值等效刚度kkkk数值86.9610012550由公式（3-8）计算得出的柔性扭转片段的等效刚度结果如表3-4所示表3-4扭转片段等效刚度值等效刚度kkkk数值486.30202.62486.30486.30大变形柔性铰链有限元建模在柔顺机构设计中，选择何种材料是非常重要的，实际性能会在很大程度受到影响。在实际的操作设计中，应该尽量选择具有较大强度-杨氏模量比的材料，这样的话就可以实现在其铰链失效前具有较大的弹性变形。遵从这个原则，该大变形柔性铰链选择铍青铜作为实验材料，这种材料的杨氏模量E=128Gpa，泊松比为μ=0.29，屈服强度σy=1170T=这种在各种扭矩下具有柔性变形角的大变形环是用方法(3-10)计算的。为了分析这个大变形环的旋转特性，并再次检验理论公式的正确性，对铰链进行了有限元分析。首先，根据表3-1以及3-2所列出大变形柔性铰链尺寸参数，建立了铰链的三维模型，并导入到Abaqus仿真软件中。利用这款有限元分析软件，可以进行非线性分析和大变形分析。在这个软件中，材料属性被定义为铍青铜，创建和编辑材料属性，创建一个界面和定义材料属性，然后为循环定义一个截面，做下一个网格，打开“大应变分析”软件"选项。铰链主要集中在柔性段上，对柔性段的网格进行了细化，以确保计算精度并验证网格质量以满足计算过程的精度要求。同时在软件中的分析部选项中增大分析步数。以备进行充足的计算资源分配。接下来进行载荷的加载，铰链这一大变形柔性端固定，另一端注入扭矩，分析给出应力云、变形云、摆角、安全系数等特性。当在0.12mm的铰链上悬挂弯矩时，铰链的变形和其他影响如图3-6所示。图3-6大变形柔性铰链在Nmm弯矩下的应力云图有限元分析结果清晰，柔性铰链变形较大，摆角为200.7°。从图3-6可以看出，铰链的变形主要集中在挠性段2、挠性段4、挠性段6和挠性段8上，均是弯曲的，最大铰链效应为9.2Mpa，远小于铍青铜的屈服强度σy接下来在理论和仿真分析中，显示了总线角度-扭矩与扭矩大小的比值，对其进行曲线绘制（图3-7），两者之间相对误差如图3-8所示。从图3-7可以看出，旋转角度和扭矩之间似乎存在明显的线性关系，这证明铰链的刚度可以等同于一个常数。与此同时，通过图3-8所示，理论计算值与仿真分析值相对误差很小，满足设计要求，同时也验证了公式的正确和计算正确性。图3-7大变形柔性铰链转角-弯矩曲线图3-8理论计算和仿真分析得到转角相对误差大变形柔性铰链性能分析在3.3节中铰链的等效弹簧模型得到了很好的验证，说明了这个模型的正确性以及公式计算的准确性，大变形性能在该铰链上体现的淋漓尽致，具有较大的弯曲特性。本节继续对其应力、失效等性能进行分析。（1）应力分析大变形铰的最大应力分析：，由图3-6所示应力云图以及理论分析表明，在铰链上挂弯矩时，效率最大的体现在弯曲柔性段和扭转柔性段的连接处，如图3-9所示。根据材料力学理论，已知最大正应力和最大切向应力为στ其中I是截面的转动惯量，截面宽度是b，截面宽度为h，b≥h，施加到截面上的最大弯矩则为Mmax，而到中性层的最远距离则为ymax，T是施加到截面上的转矩，系数CT图3-9柔性片