一种柔顺位移反向器的分析与设计

研究生课程论文(2013-2014学年第2学期)一种柔顺位移反向器的分析与设计研究生：提交日期：2014年9月27日研究生签名：学号学院华南理工大学机械与汽车工程学院课程编号S0802218课程名称精密柔顺机构的分析与设计（新）学位类别学术型学位硕士任课教师教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日1一种柔顺位移反向器的分析与设计摘要：柔顺机构是利用构件自身的弹性变形来完成运动和力的传递与转换的新型机构,具有质量轻、摩擦小等众多优点,引起了国内外学者的广泛关注。本文以设计一种位移反向器为例，使输入端施加输入载荷，输出端产生与输入载荷方向相反的位移，并且使输出位移最大化。首先在ANSYS中对反向器进行三维建模，设置优化参数，并以输出位移最大化为优化目标，对柔顺反向器进行参数化设计。然后对不同的参数时的模型进行分析，对结果进行对比，比较此参数对优化目标的影响。最后总结优化结果，选择合适的尺寸参数。关键字：柔顺机构，反向器，ANSYS仿真0引言柔性机构的概念是在20世纪80年代由HER等[1]提出的，指在外加荷载作用下，通过组成构件间的部分或全部弹性变形来输出给定位移或力的一类机构。与传统的刚体连接机构相比，利用柔性机构传递力和运动具有能降低机构重量、简化制造过程、提高运动精度、易于小型微型化等一系列优点，使得柔性机构在微观领域和多物理场等复杂机构中具有广泛的应用前景。目前，柔性机构已经被应用于现代传动系统、航空航天器、无线通信系统、光学系统、医疗手术设备、生物工程、集成电路制造和微细加工等宏观及微观领域中[2,3]。柔顺铰链一般分为单轴柔顺铰链、多轴柔顺铰链和双轴柔顺铰链.单轴柔顺铰链可以传递单方向的运动，一般用于平面柔顺机构中。常见的有直梁型柔顺铰链、直圆型柔顺铰链、角圆型柔顺铰链、抛物线型柔顺铰链和椭圆型柔顺铰链等等。如图1(a)-(d)所示。2多轴柔顺铰链可传递空间各方向的运动，对应传统刚性铰链中的球铰，在空间柔顺并联机构中广泛使用,如图1(e)-(g)。其截面形状多为圆柱形，因此结构简单，加工容易，柔度较大，但强度较弱。双轴柔顺铰链也可以传递空间的运动，对于传统刚性铰链的胡克铰。传统的双轴柔顺铰链分为矩形和复合型,如图1(h)。近年来研究的双轴柔顺铰链多在两个垂直的平面上加工出两个主轴，这种新型双轴柔顺铰链的特点是结构紧凑，节省机构的空间，同时能实现空间六自由度的运动，缺点是其受力变形分析比较复杂。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)图1常用柔顺铰链本文研究和设计了一种基于单边切口和双边切柔性铰链的反向器柔顺机构，通过在ANSYS对反向器进行三维建模，对柔顺反向器进行参数化设计。分析两种不同尺寸的模型，对结果进行对比分析，比较该参数选取不同值时对优化目标的影响。最后总结优化结果，选择合适的尺寸参数。1柔顺反向器模型柔顺机构最初的设计方法是试凑法和实验法。目前，柔顺机构的主要设计方法有：伪刚体模型法（以伪刚体为基础把柔顺机构近似等效转化为刚性机构，然后借助对刚性3机构分析和型综合的方法，进行反复迭代得到所需要的柔顺机构）和基于连续体结构的拓扑优化方法(TopologyOptimizationMethod)[4]。首先根据反向器的运动要求,提出刚性机构的结构特点：单自由度、结构对称。设计微夹钳采用的刚性机构模型简图如图2所示，可以看出，这是个上下对称的平面机构。图2反向器结构简图计算该机构的自由度，可知其自由度为1，即满足要求。将所有柔性铰链均替换为相应的刚性铰链以及扭簧，即可得到伪刚体模型。当在图中A处放置驱动器，如压电陶瓷等，在驱动力的作用下，钳臂角度张开，此时图B处则有一个反向的位移，达到输出反向的目的。柔性机构的运动大都是通过将弯曲变形限制在某一范围内的柔性“关节”来实现的,因此选择合适的柔性铰链直接关系到机构能否实现力和运动的传递。综合考虑形变量以及强度等方面的要求，本反向器的转动副大多采用圆形缺口铰链。反向器的CAD模型如图3所示。4图3反向器的CAD模型图3ANSYS仿真与优化在图2的反向器中，选择柔顺铰链的臂长作所要分析的参数，选取臂长值为15和10，对这两种尺寸的反向器进行ANSYS仿真分析，并比较其变形程度与应力大小。（A）5（B）图4反向器网格划分如图4所示，对模型进行网格划分，其中柔顺铰链处受力变形较大，进一步进行网格细化，使仿真结果更加准确。对于俩种反向器A和B，均为在图2中的A处施加输入力为100N，并使左端固定，分别得到其变形图和应力图如下所示：（A）应力6（B）x轴方向变形图5臂长为10的反向器ANSYS分析结果（A）应力7（B）x轴方向变形图6臂长为15的反向器ANSYS分析结果分析以上结果，可以看出，当臂长为15，输入力为100N时，A处的变形为0.0223，而B处的变形为-0.0273，即它实现了反向器的功能，且反向器的放大倍数为：K=1.22。而当臂长为10时，保持输入力为100N不变，A处的变形为0.0142，而B处的变形为-0.0229，它也实现了反向器的功能，且反向器的放大倍数为：K=1.61。由此可见，当减小臂长时，可以有效的增大放大倍数，在输入端施加相同的输入位移时，输出端输出位移更大！参考文献：[1]HERI，MIDHAA.Acompliancenumberconceptforcompliantmechanisms，andtypesynthesis[J].ASMEJournalofMechanisms，Transmissions，andAutomationinDesign，1987，109：348-355.[2]李金龙.部分柔顺翅翼机构及其动力学研究[D].西安:西安交通大学，20128[3]陈美文.微小型扫描反射镜的柔顺机构设计及仿真建模[D].西安电子科技大学，2012[4]夏天翔，姚卫星等，连续体结构拓扑优化方法评述[J]，航空工程进展2011.1