柔性铰链内部应力的有限元分析

2014/11/28 15:14:13

0 引言

柔性铰链利用了弹性材料微小角变形及其自身回复的特性,消除了传动过程中的机械空回和机械摩擦,能获得较高的位移分辨率,并有很紧凑的机械结构和很高的刚度以及灵敏的反应。柔性铰链有许多的应用,如:陀螺仪、加速度计、控制导弹的喷嘴、控制器、显示仪、表面控制调整器、继电器、传动连杆等。

柔性铰链同所有的金属材料制成的机械传动机构一样,在传动载荷的过程中会在其内部产生不同程度的工作应力。在理想的情况下,为了充分利用材料的强度,应使柔性铰链的工作应力接近于材料的极限应力,但实际上不可能,作用在柔性铰链上的外力常常估计不准确;柔性铰链外形与所承受的外力有时很复杂,利用力学基本公式计算所得柔性铰链内部应力通常带有近似性;实际材料的组成与品质等难免存在差异;柔性铰链所有这些因素都可能使柔性铰链的实际工作条件比设想的要有偏差。为了确保安全,柔性铰链还应具备适当的强度储备,特别是对于因损坏而带来严重后果的柔性铰链,更应给予较大的强度储备。

1 柔性铰链机械设计及关键参数

柔性铰链,其两端横截面为矩形,铰链由精密线切割数控机床加工而成。

表明了柔性铰链的外观形状、受力方向、转轴方向和几何参数。柔性铰链的主要几何参数为:切割半径R、厚度t、宽度b和圆心角H(切割半径R的中心在铰链的棱边上构成的铰链称为直圆型柔性铰链。即h=2R+t)。

2 有限元分析

本文将整个柔性铰链作为弹性体,采用有限元分析软件ANSYS9.0,建立分析模型,以参数形式给出柔性铰链的几何尺寸和材料性质进行分析建模,划分网格,个数越多精度越高。另外在铰链的颈部尽可能多地划分网格个数,能够计算出在载荷作用下柔性铰链内部所受应力性质和数值。

ANSYS9.0分析结果:

(1)材料为锰青铜的柔性铰链在3组不同结构参数下所受内部应力的ANSYS9.0分析结果。

取Fy=20N,通过应力云图显示结果,用同等材料制成的柔性铰链在相同载荷作用下,当结构参数中切割半径R越大时,柔性铰链内部应力明显增大。即当柔性铰链材料和所受载荷选定之后,在不影响外部结构和柔性铰链偏转范围的情况下,为确保柔性铰链内部应力不超过其自身许用应力,结构参数中切割半径R在保证变形的前提下应适当设计较小一些。

(2)结构参数相同的柔性铰链在3种不同材料制成情况下所受内部应力的ANSYS9.0分析结果。

取Fy=20N,通过应力云图显示结果,采用相同结构尺寸制成的柔性铰链在相同载荷作用下,当材料的弹性模量越大时,柔性铰链内部拉应力越小,而压应力差别很小。即当结构参数和所受载荷选定以后,为确保柔性铰链内部应力不超过其自身许用应力,选择材料时应适当选取弹性模量较大一些。

(3)相同材料制成的柔性铰链在结构参数大体相同情况下,直圆形柔性铰链和矩形柔性铰链所受内部应力的ANSYS9.0分析结果。

取Fy=20N,通过应力云图显示结果,采用相同材料且结构参数大体相同的柔性铰链在相同载荷作用下,直圆形柔性铰链所受内部压应力要明显小于矩形柔性铰链,而拉应力则差别不大。即当柔性铰链材料和结构参数基本确定之后,为保证柔性铰链内部应力的可靠性,应尽量选择直圆形柔性铰链。

3 结语

本文利用有限元软件ANSYS9.0对柔性铰链在材料、结构参数、加工形状诸因素在不同情况下的内部应力进行分析,直观显示了材料、结构参数、加工形状对柔性铰链在承受载荷作用时内部应力的变化趋势,为柔性铰链在实际应用中的选择提供了参考依据。

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