基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真

研制一种基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀,实现大流量高频响的要求。针对压电陶瓷输出力大但输出位移小的特点,设计出一种新型的液压微位移放大结构,由柔性铰链膜片式大活塞、密闭容腔、小活塞及压力调节和测量装置构成。采用叠堆式压电陶瓷驱动大活塞,改变密闭容腔内油液的体积形态,放大小活塞端输出位移,驱动滑阀阀芯运动。大活塞采用膜片结构,降低压电陶瓷叠堆的负载,提高密封性能。针对刚性膜片刚度和强度矛盾的问题,设计柔性铰链膜片,对该膜片结构的刚度进行理论分析和数值计算验证。应用有限元方法对结构及各参数进行优化设计,并对最终结构进行刚度和强度分析。基于试制原理样机参数,建模仿真表明液压位移放大倍数9倍,阀芯位置控制误差小于1%。频宽超过550 Hz。试验测得流量曲线,7 MPa压力下,控制流量达到17 L/min。

二维微动工作台分析及其优化设计方法

设计了一种压电陶瓷驱动的二维微动工作台,采用结构力学理论建立了工作台的简化模型,并推导出工作台沿x、y方向刚度计算表达式。将工作台简化为2自由度弹簧一质点系统,得出其前二阶固有频率计算表达式。通过微动工作台固有频率及沿x、y方向刚度的试验测试,验证了解析法和有限元法用于微动工作台设计分析的可行性。采用有限元法,研究了微动工作台的直角平板柔性铰链特征参数对微动工作台性能的影响。有限元分析结果表明:当平板柔性铰链长度较小或铰链宽度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,然而铰链根部应力集中也较严重。通过改变柔性铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出一种优化设计微动工作台柔性铰链的简易方法。

椭圆柔性铰链的计算与分析

基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入椭圆离心角作为积分变量,直观地得到了椭圆型柔性铰链的柔度计算的积分公式。通过定义中间参数,推导出了较为简洁的解析计算公式,从而避免了费时的数值积分。分别分析了切口几何形状、尺寸以及最小厚度与铰链的柔度之间的关系。用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链。有限元方法分析结果与此解析计算公式的计算结果吻合得很好,说明了此解析计算公式的正确性。

混合型柔性铰链研究

出一种新型的单轴柔性铰链结构型式——混合柔性铰链,它由半个直圆柔性铰链和半个导角柔性铰链构成。提出了柔度应力比这一概念,为定量地比较各种柔性铰链提供了依据。通过有限元方法,分析了一组不同导角半径的混合铰链设计实例,并得到其柔度应力比值。结果表明该混合柔性铰链的性能远高于直圆柔性铰链。设计的混合柔性铰链为面向高精度、大位移的工程应用提供了有价值的参考。

直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵分析

对直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵进行了研究。首先,基于悬臂梁理论推导了直梁圆角形柔性铰链平面内变形的解析计算方法,建立了柔性铰链平面内柔度矩阵的闭环解析模型,并给出了rt(r为铰链圆角半径,t为铰链厚度)时柔度矩阵的简化计算公式。然后,建立了直梁圆角形柔性铰链的有限元模型,得到了柔性铰链结构参数r/t和l/t(l为铰链长度)变化时柔度矩阵解析值和有限元仿真值的相对误差,以及r/t变化时柔度矩阵简化解析值和仿真值的相对误差。结果表明:采用悬臂梁理论建立的柔性铰链柔度矩阵模型,当l/t≥4时,柔度矩阵各项参数的理论解析值与有限元仿真值相对误差在5.5%以内,当0.1≤r/t≤0.5时,两者的相对误差能够控制在9%以内,当0.2≤r/t≤0.3时,两者的相对误差能够控制在6.5%以内;当r/t≤0.3时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在9%以内,当r/t≤0.2时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在7%以内,从而验证了柔度矩阵闭环解析模型的正确性。建立的直梁圆角形柔性铰链柔度矩阵闭环解析模型可为柔性铰链以及柔性体机构的设计和优化提供理论依据。

深切口椭圆柔性铰链

提出了一类椭圆柔性铰链——深切口椭圆柔性铰链,其切口的宽度为椭圆的短半轴,而切口的深度为椭圆的长半轴。基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入离心角作为积分变量,推导出了这类柔性铰链的转角、转动精度和最大应力的解析计算公式。这些公式简洁、规范,可用于工程设计中的计算和分析。用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链,分析结果与解析计算公式的计算结果吻合得很好。其中转角的最大误差不超过4%,最大应力的最大误差不超过5%,转动精度的最大误差不超过7%,说明了这些解析计算公式的正确性。分析结果也表明,这类铰链非常适合于要求高精度传动的应用场合。

典型柔性铰链转角柔度对比分析

柔性铰链结构广泛的应用于精密定位系统中,利用卡氏第二定律推导了柔性铰链的通用转角柔度计算公式。引入两个无量纲参数,通过将典型柔性铰链的柔性部位的边沿曲线表述为圆锥曲线形式,建立了含有共同参数的典型柔性铰链的转角柔度计算公式,采用有限元法对所建立的转角柔度公式进行了验证。在此基础之上,以圆形柔性铰链的转角柔度为基准,定义了转角柔度比函数,对比分析了典型柔性铰链的转角柔度特性,为确定大行程柔性机构设计时的基本变形单元提供了理论依据。

新型双曲线直梁复合型柔性铰链刚度研究

提出一种新型双曲线直梁复合型柔性铰链,以卡氏第二定理和微积分的相关知识为基础,推导双曲线直梁复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸或压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度。将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。分析双曲线直梁复合型柔性铰链的结构参数对其刚度性能的影响,并与倒圆角直梁型柔性铰链进行比较,结果表明双曲线直梁复合型柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均次于倒圆角直梁型柔性铰链。

高精度石英振梁加速度计挠性支承设计研究

分析了石英振梁加速度计的工作原理和结构设计,确定出挠性支承的结构形式。根据力学原理给出了挠性支承的设计计算公式,并依据挠性支承的结构设计原则,确定了加速度计基本结构参数。利用有限元分析软件对该加速度计建模并进行整体的位移分布、应力特性等有限元力学分析,软件仿真结果与理论计算的摆片端部位移相差小于3％,支承在极限范围内不会断裂,证明了所建立的支承力学模型正确,这为优化结构设计提供了理论依据和方法。

纳米测量中特殊圆弧三角形部件的有限元分析

采用角度细分逐次迭代的有限元分析方法解决了特殊圆弧三角形部件应力和位移分布问题。在单元及单元节点号赋值时采用杨辉三角形排序 ,并讨论了几何图形的对称变换。本文还给出了纳米测量中微动工作台涉及的柔性铰链有限元分析计算实例。结果表明 ,本文提出的分析方法更适合计算机求解且迭代次数明显减少 ,具有简单、清晰的数理概念。

基于柔性铰链的微位移机构设计

针对传统机械式微位移机构无法达到很高的定位精度,设计了一种用于实现精密定位的压电陶瓷驱动的微位移机构。给出了该机构柔性铰链的设计参数,并计算了铰链材料的强度。利用有限元分析软件ANSYS对微位移机构进行结构静力分析,分析了理论计算与实际机构之间存在的误差,结果表明,所设计的柔性铰链参数是正确的。

平面3自由度柔顺微动机器人加工误差分析

在微/纳米级定位领域,误差分析是提高微动机器人运动精度的重要方法.其中,对加工误差的分析尤其关键.为此,对平面3自由度(DOF,DegreeofFreedom)柔性并联微动机器人的加工误差进行了研究.通过对机器人静刚度求解,建立了加工误差与其末端执行器定位精度的关系模型.通过理论计算途径及有限元方法(FEM)讨论了各结构参数加工误差对末端精度的影响程度,结果表明柔性铰链圆弧切口半径误差以及铰链圆弧切口中心线角度偏差对机器人末端精度的影响最大.研究所得结论可用于指导此类机构设计,确定加工过程中各机构参数的公差要求,并有助于提高标定精度.

单向平动微位移机构的力学分析

研究了以柔性铰链为转动副的微位移机构中柔性铰链的转角变形和受拉变形与外加载荷及铰链的几何参数的关系;对单向平动微位移机构做了细致的受力分析,推导出了一定结构参数下该机构在受力时的封闭方程,从而得到在此机构上的工作台面的平动位移公式。通过设计正交试验表,用有限元软件对位移公式所做验证的结果表明理论模型分析基本符合模拟的结果。

采用概率法进行柔性铰链的设计和分析

采用概率法对柔性铰链进行了设计 ,从柔性铰链转角刚度、转动中心偏移、最大应力 3个方面 ,分析了设计中值得注意的问题 ,着重讨论了蒙特卡诺模拟法在柔性铰链设计中的应用 ,建立了参数化模型 ,利用有限元仿真对柔性铰链的主要参数进行设计 ,通过与常规确定性设计结果比较 ,表明采用概率法设计柔性铰链更符合实际情况。

基于叠片式柔性铰链和压电陶瓷电动机的大行程直线驱动导轨设计

提出了一种叠片式柔性铰链导轨工作台,可以在保持柔性铰链微位移工作台高直线度的前提下,大幅度提高行程,同时还保持了柔性铰链微位移工作台无机械爬行现象的优点。采用压电陶瓷电动机作为叠片式柔性铰链工作台的驱动器,压电陶瓷电动机应用超声波驻波或行波驱动,具有定位精度高、行程大、频响高等优点,驱动分辨率可达20nm以下。

倒圆角直梁型柔性铰链应力分析

为研究倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力,利用材料力学的相关知识推导出该型柔性铰链的弯曲正应力和拉/压应力计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定,另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的应力;将有限元解与所推导出的解析解进行比较,验证所推导应力计算公式的正确性。根据所推导出的应力公式,讨论倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力与其各结构参数之间的关系。

柔性铰链内部应力的有限元分析

在有限微量位移机构中,柔性铰链是实现微位移功能的新型机械结构。而柔性铰链内部应力在许用应力范围内是柔性铰链正常工作的保证。利用有限元方法对柔性铰链在不同因素下的内部应力进行分析,为柔性铰链在实际应用中的选择提供参考依据。

倒圆角直梁型柔性铰链设计计算与应用

首先推导出倒圆角直梁型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式;然后改变倒圆角直梁型柔性铰链的各结构参数,根据所推导出的刚度公式,利用MATLAB软件编程计算出刚度值,分析倒圆角直梁型柔性铰链的刚度与其各结构参数之间的关系;最后为验证推导出的刚度计算公式的正确性,采用三维实体单元对由倒圆角直梁型柔性铰链构成的柔性T型联结节的弯曲和拉伸刚度进行有限元求解,数值计算结果表明文中所推导的倒圆角直梁型柔性铰链刚度计算公式是正确的。

单向平动微位移工作台的静刚度分析

文章根据梁单元有限元法,把柔性铰链视为变截面梁单元,建立了柔性铰链的单元刚度矩阵;在此基础上,建立了单向平动微位移工作台的有限元计算模型,得到了微位移工作台的位移输出特性;同时,选取不同的柔性铰链参数,用有限元分析软件对微位移工作台进行分析计算并与理论计算进行比较,结果表明2种方法计算的结果相吻合,验证了理论模型的正确性。

柔性铰链转动刚度分析与验证

针对直圆形柔性铰链进行分析,在分析比较通过理论公式和有限元软件计算柔性铰链转动刚度方法的基础上,设计柔性铰链转动刚度测试实验,对计算结果进行实验验证.提出了柔性铰链转动刚度设计的一般思路、方法和应注意问题.