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          河北華利機械配件有限公司

          柔性鉸鏈內部應力的有限元分析

          2014/11/28 15:14:13
          0    引言
                  柔性鉸鏈利用了彈性材料微小角變形及其自身回復的特性,消除了傳動過程中的機械空回和機械摩擦,能獲得較高的位移分辨率,并有很緊湊的機械結構和很高的剛度以及靈敏的反應。柔性鉸鏈有許多的應用,如:陀螺儀、加速度計、控制導彈的噴嘴、控制器、顯示儀、表面控制調整器、繼電器、傳動連桿等。
                  柔性鉸鏈同所有的金屬材料制成的機械傳動機構一樣,在傳動載荷的過程中會在其內部產生不同程度的工作應力。在理想的情況下,為了充分利用材料的強度,應使柔性鉸鏈的工作應力接近于材料的極限應力,但實際上不可能,作用在柔性鉸鏈上的外力常常估計不準確;柔性鉸鏈外形與所承受的外力有時很復雜,利用力學基本公式計算所得柔性鉸鏈內部應力通常帶有近似性;實際材料的組成與品質等難免存在差異;柔性鉸鏈所有這些因素都可能使柔性鉸鏈的實際工作條件比設想的要有偏差。為了確保安全,柔性鉸鏈還應具備適當的強度儲備,特別是對于因損壞而帶來嚴重后果的柔性鉸鏈,更應給予較大的強度儲備。
          1    柔性鉸鏈機械設計及關鍵參數
                  柔性鉸鏈,其兩端橫截面為矩形,鉸鏈由精密線切割數控機床加工而成。
                  表明了柔性鉸鏈的外觀形狀、受力方向、轉軸方向和幾何參數。柔性鉸鏈的主要幾何參數為:切割半徑R、厚度t、寬度b和圓心角H(切割半徑R的中心在鉸鏈的棱邊上構成的鉸鏈稱為直圓型柔性鉸鏈。即h=2R+t)。
          2    有限元分析
                  本文將整個柔性鉸鏈作為彈性體,采用有限元分析軟件ANSYS9.0,建立分析模型,以參數形式給出柔性鉸鏈的幾何尺寸和材料性質進行分析建模,劃分網格,個數越多精度越高。另外在鉸鏈的頸部盡可能多地劃分網格個數,能夠計算出在載荷作用下柔性鉸鏈內部所受應力性質和數值。
                  ANSYS9.0分析結果:
                  (1)材料為錳青銅的柔性鉸鏈在3組不同結構參數下所受內部應力的ANSYS9.0分析結果。
                  取Fy=20N,通過應力云圖顯示結果,用同等材料制成的柔性鉸鏈在相同載荷作用下,當結構參數中切割半徑R越大時,柔性鉸鏈內部應力明顯增大。即當柔性鉸鏈材料和所受載荷選定之后,在不影響外部結構和柔性鉸鏈偏轉范圍的情況下,為確保柔性鉸鏈內部應力不超過其自身許用應力,結構參數中切割半徑R在保證變形的前提下應適當設計較小一些。
                  (2)結構參數相同的柔性鉸鏈在3種不同材料制成情況下所受內部應力的ANSYS9.0分析結果。
                  取Fy=20N,通過應力云圖顯示結果,采用相同結構尺寸制成的柔性鉸鏈在相同載荷作用下,當材料的彈性模量越大時,柔性鉸鏈內部拉應力越小,而壓應力差別很小。即當結構參數和所受載荷選定以后,為確保柔性鉸鏈內部應力不超過其自身許用應力,選擇材料時應適當選取彈性模量較大一些。
                  (3)相同材料制成的柔性鉸鏈在結構參數大體相同情況下,直圓形柔性鉸鏈和矩形柔性鉸鏈所受內部應力的ANSYS9.0分析結果。
                  取Fy=20N,通過應力云圖顯示結果,采用相同材料且結構參數大體相同的柔性鉸鏈在相同載荷作用下,直圓形柔性鉸鏈所受內部壓應力要明顯小于矩形柔性鉸鏈,而拉應力則差別不大。即當柔性鉸鏈材料和結構參數基本確定之后,為保證柔性鉸鏈內部應力的可靠性,應盡量選擇直圓形柔性鉸鏈。
          3    結語
                  本文利用有限元軟件ANSYS9.0對柔性鉸鏈在材料、結構參數、加工形狀諸因素在不同情況下的內部應力進行分析,直觀顯示了材料、結構參數、加工形狀對柔性鉸鏈在承受載荷作用時內部應力的變化趨勢,為柔性鉸鏈在實際應用中的選擇提供了參考依據。
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