抗压内LET柔性铰链的建模及分析

针对内LET（Lamina emergent torsion）柔性铰链存在轴向刚度低这一问题,基于倒置原则提出了一种抗压内LET柔性铰链.首先,综合考虑各柔顺片段的变形特点,设计了抗压内LET柔性铰链的结构;其次,利用等效弹簧刚度模型推导了该铰链的弯曲等效刚度及抗压等效刚度,并用有限元分析实例验证了2种理论计算模型的正确性;最后,将内LET柔性铰链和抗压内LET柔性铰链弯曲变形及压缩变形的有限元仿真结果进行比较.结果表明,在外形尺寸一致的情况下抗压内LET柔性铰链的弯曲刚度是内LET柔性铰链的1.195倍,而抗压刚度却是其24.532-28.141倍.在弯曲刚度无明显变化的前提下,抗压内LET柔性铰链的抗压刚度大幅提升,该铰链的结构设计完全符合预期要求.

抗拉柔性铰链的理论建模及有限元分析

为了在保持转动刚度变化不大的情况下,使得LET(Lamina Emergent Torsion)柔性铰链能够适用于存在轴向载荷的场合,即拥有较大的轴向刚度,本文对LET的结构进行了适当改进,设计了一种新型柔性铰链——抗拉LET柔性铰链。基于抗拉LEMs(Lamina Emergent Mechanisms)柔性铰链结构,将整个抗拉LET柔性铰链等效为弹簧刚度模型,并对该弹簧刚度模型进行理论建模,得到封闭解。之后采用ANSYS软件,建立其有限元模型,分析其在转动载荷和轴向载荷两种不同场合下的形变,并同之前的理论模型进行比较。结果表明,采用弹簧刚度模型得到的等效刚度解与仿真分析结果较为一致,抗拉LET柔性铰链的弯曲刚度仅是传统LET柔性铰链的1.12倍,而拉伸刚度却是它的76.43倍。在弯曲刚度没有大幅变化情况下,抗拉LET柔性铰链的抗拉刚度明显增大,抗拉能力大大提高,表明抗拉LET柔性铰链的结构设计符合预期要求。

Nested-LET柔性铰链设计与性能分析

针对平面折展机构中柔性铰链在承受拉压载荷时变形大、转动精度差等问题,基于外LET铰链和嵌套结构的方法,提出了一种Nested-LET柔性铰链。设计了该铰链的结构,利用等效弹簧模型推导了其弯曲及拉压等效刚度计算公式并给出了修正系数。通过设计实例的理论计算和仿真分析,验证了理论分析的正确性和设计的可行性。比较了相同尺寸的Nested-LET与外LET铰链的弯曲性能与抗拉性能,结果表明,Nested-LET铰链弯曲刚度增加了1.5倍,拉压刚度提升了30倍,且转动中心漂移量有所下降。最后,通过拉伸实验验证了分析的正确性。

外置-串联复合型LET铰链的设计与性能分析

针对LET铰链存在拉压刚度低、工作精度差的问题,基于外置LET铰链,设计了外置-串联复合型抗拉压LET铰链,推导了铰链弯曲等效刚度与拉压等效刚度的理论计算式。实例计算与有限元分析误差在5%以内,验证了理论分析与等效刚度计算式的正确性。将外置-串联复合型LET铰链与相同尺寸的外置LET铰链、Nested-LET铰链进行性能对比,在保持弯曲变形能力的前提下,外置-串联复合型LET铰链拉压刚度是外置LET铰链的43.3倍,是Nested-LET铰链的1.43倍,充分表明该铰链结构设计的合理性与有效性。

基于LEMs的平面抗拉压柔性内铰链设计

针对平板折展(LET)柔性内铰链不适宜承受轴向拉力和压力的问题,提出了一种平面抗拉压柔性内铰链.首先,基于反演原则,设计了平面抗拉压柔性内铰链的外形结构;其次,推导了该柔性铰链的弯曲等效刚度与拉压等效刚度的闭式解析式,并用有限元软件对两个闭式解析式进行校验,分析结果显示封闭解与有限元结果的偏差分别小于1.76%和4.75%,从而验证了上述刚度闭式解析式的正确性;然后,利用转动轴心漂移量对平面抗拉压柔性内铰链的转动精度进行了分析;最后,将平面抗拉压柔性内铰链和LET柔性内铰链的各项性能进行比较.结果表明:在外形尺寸一致的情况下平面抗拉压柔性内铰链的弯曲刚度仅是LET柔性内铰链的1.19倍,而拉压刚度和转动轴心漂移量却分别为其19.15~27.70倍和88%;在弯曲刚度没有明显变化的前提下,平面抗拉压柔性内铰链的拉压刚度及转动精度均有显著提高.

LET柔性铰链的等效刚度分析及其参数优化

分析了表示LET柔性铰链转动能力的扭转等效刚度,为确保铰链的转动精度提出了拉压等效刚度的概念并推导出其计算公式。以LET柔性铰链的结构参数为设计变量,提高转动能力和转动精度为目标,建立了铰链的优化模型;采用模拟退火法实现了LET柔性铰链的参数优化,并对优化前后铰链的转动性能进行了分析比较。结果表明,优化后铰链的转动能力和转动精度比优化前都有了明显提高。

内置-串联复合型平面折展柔性铰链的设计与性能分析

基于内置LET铰链,设计了一种内置-串联复合型LET铰链,利用弹簧等效法,推导了铰链弯曲等效刚度与拉压等效刚度的计算式。通过实例计算与有限元分析,二者结果误差在3%~6%,验证了理论分析与等效刚度计算式的正确性。将内置-串联复合型LET铰链与相同尺寸的内置LET铰链进行性能对比,结果表明,内置-串联复合型LET铰链在保持弯曲变形能力的前提下,拉压刚度是内置LET铰链的近50倍,充分表明铰链结构设计的合理性与有效性。

基于拉力带的系列新型SST-LEJ设计与分析

设计了一种基于大柔度的柔性铰链,命名为SS-LEJ,利用等效法推导了其弯曲等效刚度的理论计算公式,通过设计实例的理论计算和ABAQUS仿真分析,验证理论计算公式的正确性.为了有效提升SS-LEJ的抗拉压性能,设计了4种不同位置和形状的拉力带的SST-LEJ,通过弯曲性能和抗拉压性能的有限元仿真分析,得出SST3-LEJ和SST4-LEJ为4种SST-LEJ当中整体性能较优的两种.将SST3-LEJ和SST4-LEJ与SS-LEJ、Inverted Bending-Orthogonal铰链进行了弯曲性能和抗拉压性能的比较,得出SST3-LEJ和SST4-LEJ的弯曲性能介于SS-LEJ和Inverted Bending-Orthogonal铰链之间,抗拉压性能优于SS-LEJ和Inverted Bending-Orthogonal铰链,说明SST3-LEJ和SST4-LEJ的整体性能较好,达到了预期的设计目的,为大柔度柔性铰链的设计提供了一种思路.