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        管狀柔性鉸鏈的有限元分析

        2016-01-01 00:00:00郝振杰剛芹果朱曄陸微微
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年2期

        摘 要:基于薄壁圓筒的單開口管狀柔性鉸鏈?zhǔn)且环N新型的柔性鉸鏈,其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部可設(shè)置鋼絲等傳動機(jī)構(gòu),用途更為廣泛。應(yīng)用有限元軟件對管狀柔性鉸鏈在受力作用下的形變和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究,得出受力和形變具有非線性關(guān)系特征。

        關(guān)鍵詞:管狀柔性鉸鏈;有限元;非線性關(guān)系

        1 概述

        典型的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)是通過對實體梁進(jìn)行切削加工,形成不同形狀開口的彈性部位作為柔性鉸鏈,根據(jù)柔性鉸鏈的開口形狀可分為直梁型、圓角形、拋物線形和雙曲線型等[1]。其中直圓形柔性鉸鏈如圖1

        (a)所示。文章提出一種新的柔性鉸鏈形式,通過對薄壁管進(jìn)行切削加工,形成圓弧切口,在外力作用時該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可逆的彈性形變,由此具備彈性鉸鏈的特性,稱之為管狀柔性鉸鏈,如圖1(b)所示。較之于傳統(tǒng)柔性鉸鏈,其最大特點(diǎn)是鉸鏈的連接部分是管狀構(gòu)件,可以在內(nèi)部布置一些傳動系統(tǒng),比如:鋼絲等。此結(jié)構(gòu)不僅具有一般柔性鉸鏈的特點(diǎn)并且這種柔性鉸鏈比一般鉸鏈具有更大的工程應(yīng)用范圍。

        (a) (b)

        圖1 傳統(tǒng)柔性鉸鏈和管狀柔性鉸鏈

        2 管狀柔性鉸鏈模型

        仿照典型的直圓形柔性鉸鏈[2],利用UGNX6.0[3]建模軟件建立了圓形開口管狀柔性鉸鏈模型,其外形尺寸如圖2所示。機(jī)構(gòu)全長l=100mm,內(nèi)徑r=10mm,壁厚d=1mm,中心圓形開口直徑R=10mm,圓心距底邊垂直距離s=2.5mm。圓形開口柔性鉸鏈?zhǔn)亲詈唵蔚娜嵝糟q鏈,在以后的研究中,還可以做橢圓形、拋物線形或直角形等其他開口形式的柔性鉸鏈。

        圖2 圓形開口管狀柔性鉸鏈尺寸

        3 研究方法及結(jié)果

        3.1 ANSYS模型建立和加載計算方法

        依據(jù)上述模型尺寸在ANSYS14.0軟件中建立片體模型,由于機(jī)構(gòu)對稱,可建立1/2模型,如圖3(a)所示。由于機(jī)構(gòu)內(nèi)徑遠(yuǎn)大于壁厚,采用殼單元對機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬,假設(shè)機(jī)構(gòu)為薄壁圓筒,選擇SHELL181單元。SHELL181適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu),具有應(yīng)力剛化及大變形功能,該單元有強(qiáng)大的非線性功能,并有截面數(shù)據(jù)定義、分析、可視化等功能。

        其他參數(shù)設(shè)置:截面厚度s=1mm,材料選擇彈性形變能力較好的鋁銅合金,彈性模量E=120GPa,泊松比v=0.3。自由劃分網(wǎng)格,中間開口處網(wǎng)格加密處理,采用類似懸臂梁方式加載集中力,如圖3(b)所示。

        通過加載不同大小的集中力,觀察鉸鏈的變形和應(yīng)力分布情況。求解過程采用幾何非線性,打開大應(yīng)變選項(Large Displayment Static)。通過觀察節(jié)點(diǎn)N的縱向位移和轉(zhuǎn)角大小,研究其形變和應(yīng)力分布情況,如圖4所示。

        圖4 節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角

        3.2 計算和分析結(jié)果

        加載范圍嘗試從0N-1000N,每次遞增50N,觀察記錄形變狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。記錄在集中力F作用下,節(jié)點(diǎn)N的縱向位移為節(jié)點(diǎn)N在Y軸的位移UY,節(jié)點(diǎn)N轉(zhuǎn)角為節(jié)點(diǎn)N繞Z軸的轉(zhuǎn)角θ。整理數(shù)據(jù)結(jié)果,繪制成力-位移曲線和力-轉(zhuǎn)角曲線,如圖5所示。

        為了直觀的表示管狀柔性鉸鏈的形變,可以將不同力作用下的形變圖加以對比,下面分別以100N,200N,300N,400N,500N為例列出形變圖(如圖6)。

        同時,應(yīng)力集中的位置容易觀察,在柔性鉸鏈的圓形開口區(qū)域內(nèi)部,應(yīng)力值最大(如圖7)。

        4 結(jié)束語

        上述模擬過程中,圓形開口管狀柔性鉸鏈在集中力F的作用下,發(fā)生彈性形變,其力-轉(zhuǎn)角曲線和力-位移曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系,說明線彈性材料的管狀柔性鉸鏈發(fā)生大應(yīng)變時具有幾何非線性特征。在文章研究基礎(chǔ)之上,可以對其他形狀開口管狀柔性鉸鏈、多開口管狀柔性鉸鏈進(jìn)行深入研究,加入傳動裝置后,可應(yīng)用于具有自回復(fù)特性的仿生機(jī)械手指。然而,文章在模擬計算過程中未考慮材料的屈服極限和鉸鏈回轉(zhuǎn)中心的偏移,在以后的研究中應(yīng)予以考慮。

        參考文獻(xiàn)

        [1]于靖軍,裴旭.柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計方法的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報,2010(7):2-4.

        [2]李世俊.柔性鉸鏈靜動力學(xué)、疲勞壽命及可靠性分析研究[D].西安電子科技大學(xué),2006.

        [3]李峰,趙杰.UG軟件在機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的研究與實踐[J].化工高等教育,2010(6):48-51.

        作者簡介:郝振杰(1990-),男,河北唐山人,碩士,研究方向:力學(xué)及其工程應(yīng)用。

        剛芹果(1967-),男,河北邢臺人,教授,研究方向:力學(xué)及其工程應(yīng)用。

        朱曄(1987-),男,河北保定人,碩士,研究方向:機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。

        陸微微(1986-),女,河北正定人,格力電器(石家莊)有限公司技術(shù)科,質(zhì)量管理員。

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