直圓型柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)變形量計算與仿真分析

彭 杰，楊小光，尚守鋒

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)微位移技術(shù)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，由于其體積小、無間隙、無機(jī)械摩擦、運(yùn)動平滑、精度高，被廣泛應(yīng)用于微動機(jī)器人、陀螺儀、加速度計、精密天平等儀器設(shè)備中。對柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形量進(jìn)行計算是設(shè)計這些精密儀器設(shè)備的基礎(chǔ)。本文只對直圓型柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形量進(jìn)行理論計算與仿真分析。

1 理論計算

1.1 單個鉸鏈的轉(zhuǎn)動剛度計算

直圓型柔性鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu)見圖1，圖中t為柔性鉸鏈的最小厚度，R為柔性鉸鏈的切割半徑，b為柔性鉸鏈的寬度，h為柔性鉸鏈的高度。

圖1 直圓型柔性鉸鏈?zhǔn)疽鈭D

柔性鉸鏈的中部尺寸較小，結(jié)構(gòu)較為脆弱，能夠在力矩的作用下產(chǎn)生較大的角變形。為了便于分析，在圓心角θ處取微元對其進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 微元體劃分示意圖

微元體的高度：a=t+2R（1-cosθ）

微元體的厚度：du=d（Rsinθ）=Rcosθdθ

由于柔性鉸鏈切口尺寸較結(jié)構(gòu)的其他尺寸小的多，可以認(rèn)為彎矩變化很小；此外，由于柔性鉸鏈的變形很小，撓曲線非常平坦，根據(jù)材料力學(xué)，可得出以下公式：

式中，E為材料的彈性模量，M（x）為作用于微小段dx的彎矩，I（x）為微小段dx的截面對中心的慣性矩。

則柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角：

則有轉(zhuǎn)動剛度：

其中中間變量f1計算如下：

具體的參數(shù)如下：彈性模量E=200GPa，最小厚度t=0.4mm，切割半徑R=2mm，寬度b=4mm。通過matlab編程計算，f1=64.1665。

計算得出，柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動剛度kz=4.1559Nm/rad。

1.2 鉸鏈機(jī)構(gòu)的等效剛度計算

只考慮柔性鉸鏈的彎曲變形，把柔性鉸鏈視為理想的轉(zhuǎn)動副，根據(jù)能量守恒求解其等效剛度。根據(jù)參考文獻(xiàn)2，可知單平行四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的等效剛度

式中，d為柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的曲柄長度。

具體參數(shù)為：曲柄長度d=18mm。

計算得出柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的等效剛度keq=5.13×104N/m。

1.3 鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形計算

2 有限元仿真分析

根據(jù)上述參數(shù)，首先在Pro/E三維繪圖軟件中對柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，保存為stp格式后，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中。模型的加載條件為：底面施加固定約束條件，受力面施加1N力的約束。對模型加載后，求解得出柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形圖如圖3所示。

圖3 柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形圖

從圖2可看出，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形量從底部到上部依次增加，上部變形量19.9 μm，與理論計算結(jié)果19.49μm的誤差為2.06%，本文的理論計算方法是行之有效的。

3 結(jié)語

對直圓型柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形量進(jìn)行了理論計算與仿真分析得出：（1）柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的變形量從底部到上部依次增加；（2）理論計算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果誤差為2.06%，證明本文的理論計算方法是行之有效的。

此外，本文在計算柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的等效剛度時，只考慮了柔性鉸鏈的彎曲變形，未考慮拉伸變形，如需得出更加精確的結(jié)果還需要考慮拉伸變形的影響。