二自由度平板折展柔性铰链的分析及优化

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252017V01．38No．2SSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：#hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．on二自由度平板折展柔性铰链的分析及优化刘凯1，曹毅1’2’3’*，周睿1，葛妹翌1，丁锐11．江南大学机械工程学院，无锡2141222．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海2002403．江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，无锡214122摘要：为提高平板折展机构(LEMs)

2、的灵活性，提出了一种能实现平面内及平面外转动的二自由度柔性铰链。首先，综合椭圆柔性铰链与LET柔性铰链的结构特点，设计了二自由度平板折展柔性铰链；其次，利用弹簧模型推导了该铰链两个方向的转动等效刚度计算模型，并通过设计实例的理论计算与有限元仿真分析对比，验证了两个理论模型的正确性；然后，探讨了各结构参数对铰链两种转动刚度的影响；最后，以提高二自由度平板折展柔性铰链的转动性能为目标，建立了其优化设计模型，并采用自适应粒子群优化算法对该铰链的结构参数进行了优化。优化结果表明：铰链Y轴方向转动刚度下降了83．60％，z轴方向转动刚度

3、下降了92．73％，二自由度平板折展柔性铰链两个方向的转动性能都得到了极大的提升，优化结果完全符合预期。关键词：平板折展机构(LEMs)；二自由度平板折展柔性铰链；刚度模型；有限元分析；参数优化中图分类号：V229+．4；THl22文献标识码：A文章编号：i000—6893(2017)02—420317—10柔顺机构是通过柔性元件的弹性变形来实现运动和力传递及转换的一种机构[1]。由于柔顺机构采用柔性铰链代替了传统的运动副，因此其具有元间隙、免润滑、无机械摩擦和运动精度高等优点[2]，特别适用于航空航天[3。5]、仿生机器人[

4、63和智能结构口1等领域。平板折展机构(LaminaEmergentMechanisms，LEMs)是一类由平面薄板材料加工成型且能实现三维运动的新型柔顺机构[8]。LEMs除了具备其他柔顺机构的优点外，还具有以下突出的优势：①LEMs的加工工艺简单、方便，能减少加工制造成本；②LEMs的平面特性能减少其装配及储存空间；③LEMs能以简单的拓扑结构实现复杂的机械运动，诸如球面LEMs四杆机构嘲、史蒂芬森机构[1⋯。基于LEMs的上述特性，其在航空航天领域得到广泛应用，如小型卫星太阳帆板展开机构[11]和微型飞行器‘12‘131

5、等。目前，设计符合平面特性的柔性铰链是设计LEMs的关键问题。国内外学者围绕柔性铰链的结构、精度和刚度已做了诸多研究：Winder等[14]综合考虑LEMs的特性，提出了LEMs柔性铰链的设计要素；为了满足LEMs大角度转动的需求；Jacobsen等口5]设计了内LET(LaminaEmer—gentTorsional)柔性铰链和外LET柔性铰链；基收稿日期：2016—04—14；退修日期：2016—04—27：录用日期：2016—05．04；网络出版时间：2016—05—1014：19网络出版地址：WWWcnki．net／k

6、cms／detail／11．1929．V．20160510．1419002htmI基金项目：国家自然科学基金(50905075)；江苏省“六大人才高峰”计划(ZBZZ一012)；中央高校基本科研业务费专项资金(JUSRP51316B)；机械系统与振动国家重点实验室开放课题(MSV201712)；机器人技术与系统国家重点实验室开放基金(SKLRS．2016一KF一06)*通讯作者E—mail：caoyi@iiangnaneduca引用格武：翱觊，曹毅，蜀睿，等．二自由度平板辑展柔性铰链的分析及优化￡JI航空学报，2017。38(

7、2)：420317．uuK，CAOY，ZHOUR，eta1．Analysisandoptimizationoftwo—degreeoffreedomLEMsflexurehingeE,-J_7．ActaAeronauticaetAstronauticaSini-ca。2017。38(2)：420317i420317．1航空学报于模拟退火法，邱丽芳等[161实现了外LET柔性铰链的参数优化，明显提高了铰链的转动能力及转动精度；Ferrell等口7]提出了适用于钣金柔性铰链的新设计标准，并根据该标准设计了TUFF(Torsiona

8、lU—formFlexure)和RUFF(RevoluteU—formFlexure)。为了解决I。ET柔性铰链轴向刚度较低的问题，Wilding等[18]提出了能够承受轴向拉压载荷的I—LEJ(InvertedLaminaEmer—gentJoint)和T—LEJ(Tens