1、半圆形柔性铰链的静刚度性能分析第 29 卷第 7 期2008 年 7 月煤矿机械CoalMineMachinelVDJ.29No.7Ju1.2008半圆型柔牲铰链韵静刚度牲能分析杨淑英(华东交通大学,南昌 330013)摘要:由于实际需要的多样性和复杂性,使得柔性铰链的实际结构的几何尺寸不能完全满足传统理论分析的假设条件,因此影响到对其性能的准确分析.采用有限元软件ANSYS 分析了多个不同尺寸参数的半圆型柔性铰链,并与其解析计算结果进行了比较,分析了二者间产生误差的根本原因.关键词:柔性铰链;微动机器人;有限元分析;刚度中图分类号:TF242 文献标志码:A 文章编号:1003.0794(2
2、008)07.0081.02AnalysisofGeometricalParametersofCircularArcFlexibleHingeInfluenceonItsRigidityYANGShuring(EastChinaTrafficUniversity,Nanchang330013,China)Abstract:However,duetothediversitiesandcomplexitiesofpracticaldemands,flexiblehingegeometricalparameterscannotallsatisfyhypothesesoftraditionaltheo
3、ryanalysis,itmakesitsaccurateanalysisoftheri.giditydifficult.Herebasedonfiniteelementmethods,themanydifferentgeometricalparametersofciwulararcflexiblehingeareanalyzed.Comparedwithresultsoftraditionaltheoryanalysis,theelTorreasonsa】feana.1yzed.Keywords:flexiblehinge;micromotionrobot;finiteelementanal
4、ysis;rigidity0 引言柔性铰链具有体积小,无机械摩擦,无间隙和高灵敏度的特点,柔性铰链被广泛地应用于各种要求小角位移,高精度转动的场合,柔性铰链在微米级领域内有着广阔的应用前景.常见的柔性铰链有 2种:直梁型柔性铰链和圆弧型柔性铰链.直梁型柔性铰链有较大的转动范围,但运动精度较差;而圆弧型柔性铰链的运动精度较高,但转动范围相对小.为了兼顾运动精度和运动范围,又衍生出下面几种转动柔性铰链:抛物线型柔性铰链,椭圆型柔性铰链,双曲线型柔性铰链等.柔性铰链的基本性能主要包括刚度,精度及应力特性等几方面,其中刚度性发生改变时,具有陡峭特性的渣浆泵可以使旋流器入口压力在一个比较小的范围内波动,
5、保证了入口压力的稳定,也就保证了旋流器内部流动状态的稳定,提高了整个系统的稳定性和适应能力,保证了原煤的分选效果.4 结语(1)旋流器与渣浆泵应作为一个完整的系统研究,渣浆泵的运行效率直接决定了整个系统的效率.(2)具有陡峭性能曲线的渣浆泵更适合与旋流器配套运行,有助于提高整个系统运行的稳定性和分选效果.能直接反映了柔性铰链抵抗外载的能力,也体现了运动副的柔性程度,是主要的研究因素.本文以圆弧型柔性铰链中的半圆型铰链为例,采用 ANSYS 有限元软件分析了在多个不同结构参数下的半圆型柔性铰链刚度,并与其解析计算结果进行了比较,分析了二者间产生误差的根本原因,并给出其结构参数对刚度的影响关系.1
6、 半圆型柔性铰链刚度计算公式圆弧型柔性铰链的主视图如图 1(a)所示,其横截面为矩形.立体图如图 1(b)所示.当圆弧的圆心角 0=90.时 ,圆弧型铰链即为半圆型铰链.由图 1,根据材料力学原理推出了铰链在力矩参考文献:1付永胜,徐学卫 ,岳文琪,等.重介旋流器入料方式与压力控制策略J. 选煤技术,2OO7,2o4(5):5961.2梁金刚.“十五“重介选煤大型装备的发展J.选煤技术,2OO7,20o(1):l 一 6.3HellmuthSchulz.泵原理 ,计算与结构M.北京:机械工业出版社.1991.作者简介:袁建革(1962 一),女,河北唐山人,工程师,1985 年毕业于河北电大机
7、械制造与设计专业,1996 年毕业于外贸英语专业,从事机械设计方面的技术和管理工作,电话:0315 2706073.收稿日期:2008.01.30Vo1.29No.7 半圆型柔性铰链的静刚度性能分析杨淑英笫 29 卷第 7 期作用下柔性铰链的角变形为 a,其柔度为惫=+3r(2+2/3+2EbR2p 一+J82r.r(+J82)可静 arctan_广三(1)1 一(1+一 r)其中:t/2R;r=h/2R.由于绝大多数柔性铰链的最小厚度 t 远小于铰链的高度 h 和铰链半径尺,即/31,r,这样可以简化式(1),得半圆型柔性铰链的转动刚度M2EbtOtz97rR1/2t,/一_=I-J.(a)
8、(b)图 1 柔性铰链模型2 半圆型柔性铰链的有限元模型ANSYS 是一种大型通用的有限元分析技术 ,计算功能强大,计算结果可靠的软件.半圆型柔性铰链的基本结构尺寸:柔性铰的宽度 b:10IlllTI,t:1IlllTI,R=2.5nqnl,材料的杨氏模量 E:200GPa,泊松比=0.3, 材料特性为各向同性.其有限元模型如图 2(a)所示,对该模型左端面进行全约束,网格模型右端面的自由端为载荷的施加位置,施加弯矩:0.03Nrn;网格模型右端面的特殊节点 1 为节点位移,代表输出位移;单元类型选择 3 一 D 实体 SOL.ID92 单元模型,对整个模型使用 Smartsize 进行自由网
9、格划分.半圆型柔性铰链的有限元结构变形如图2(b)所示.通过分别改变半圆型柔性铰链的结构尺寸参数 b,t 以及尺,得到各类结构参数改变的有限元模型.(a)图 2 有限元模型3 刚度性能分析改变半圆型柔性铰链的结构尺寸参数 b,t 以及尺,分别计算出在不同结构尺寸下半圆型柔性铰链的理论计算转动刚度和有限元分析结果转动刚度.动刚度有限元值与理论值比较图(图略)可见,转动刚度 K 与宽度 b 呈线性递增关系,且有限元值比理论值小,宽度 b 越小,有限元值与理论值越接近.(2)由式(2)和改变厚度 t 的半圆型柔性铰链转动刚度有限元值与理论值比较图(图略)可知,转动刚度的有限元值和理论值都与厚度 t
10、呈曲线递增关系,且增速越来越快.当 t1-6rain 时,有限元值比理论值小,且 t 越小,有限元值与理论值差越小;当t1.6nqnl,有限元值比理论值大,且 t 越大,理论值与有限元值差越大.(3)由式(2)和改变圆弧半径月的半圆型柔性铰链转动刚度有限元值与理论值比较图(图略)可知,转动刚度的有限元和理论值都与半径尺呈曲线递减关系,尺增大,有限元值与理论值趋接近,当尺2IlllTI 时,刚度增大很快,且有限元值大于理论值.分析改变参数 b,t,R 的半圆型柔性铰链转动刚度有限元值与理论值比较图可得半圆型柔性铰链各设计参数对其转动刚度的影响程度依次为:厚度t 影响最大,其次为圆弧半径尺,再次为
11、宽度 b.半圆型柔性铰链的转动刚度理论值与有限元值不相等,甚至有较大差值的可能原因是:(1)利用材料力学的梁弯曲理论建立的柔性铰链理论模型,是建立在一定假设条件基础之上.(2)从有限元模型图 2(b)可见 ,当给模型自由端施加轴的转矩时,有限元模型不仅在 Y 轴方向产生位移,同时在 z 轴上也有位移变化 .也就是说,柔性铰链不仅只发生弯曲变形,同时有剪力将引起柔性铰链截面曲翘变形.在一定的结构参数下,柔性铰链的理论解与有限元分析吻合得很好.(3)利用理论模型所计算的结果要比有限元结果大,原因是理论模型仅考虑了机构的局部变形,增大了机构的实际刚度,因此会造成结果比有限元值偏大.参考文献:1潭淑英
12、,张大卫 ,等.弹性铰链设计J.机械设计,2005,22(6):5658.2杜志江.柔性铰链及其在精密并联机器人中的应用J.哈尔滨工业大学,2006,38(9):1469 1473.3PAROSJM,WEISIBORDL_HowtodesignflexurehingeJ.MachineDesign,1965,37:151157.4王纪武.典型柔性铰链精度性能的研究J.清华大学(自然科学版),2001,41(11):49 52.53LOBOmIUN,GARCIAE.Analyticalmodelofdisplacementamplifiea.tionandstiffnessoptimizationforaclasstflexurebasedcompliantmechanismsJ.ComputerStruetures,2003,81:27972810.作者简介:杨淑英(1963 一),贵州铜仁一人,1984 年毕业于原江西工学院机械制造专业.(1)由式(2)和改变宽度 b 的半圆型柔性铰链转一82 一收稿日期:20080128
