梳齿形柔性铰链的设计与分析.pdf

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1、第35卷第9期东北大学学报(自然科学版)Vo1．35，No．92014年9月JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Sep．2014doi：10．3969／j．issn．1005—3026．2014．09．023梳齿形柔性铰链的设计与分析邱丽芳，孟天祥，张九俏，杨德斌(北京科技大学机械工程学院，北京100083)摘要：提出了一种基于平面折展机构的梳齿形状的新型柔性铰链，设计了该铰链的结构形式，并对其进行了分析，推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度计算公式．通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析，验证了计算公式和仿真模型的正

2、确性，同时也验证了新型铰链的弯曲等效刚度在较大角位移下仍能保持良好的线性．对设计实例的强度进行了校核，在铰链达到最大角位移时具有较大的安全系数，并对设计实例的扭转等效刚度进行了仿真分析．最后，将设计实例的弯曲等效刚度与文献给出的IT—LEJ及LET铰链的弯曲等效刚度进行了比较．关键词：平面折展机构；柔顺机构；梳齿形铰链；等效刚度；有限元分析中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：1005—3026(2014)09—1316—05DesignandAnalysisofComb-ShapedFlexureJointQIULing，MENGTian—xiang，ZHANG．

3、1iu—qiao，YANGDe—bin(SchoolofMechanicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China．Correspondingauthor：YANGDe—bin，E—mail：ydb@ustb．edu．cn)Abstract：Anewcomb—shapedflexurejointwasproposedanddesignedinlaminaemergentmechanisms．Theequivalentstiffnessofthecomb—shapedfle

4、xureiointwasdeduced．Usingtheoreticalcalculationandflniteelementsimulationanalysisofthedesignexample，thecorrectnessofthecalculationformulaandsimulationmodelswasverified．Meanwhile，theequivalentstiffnesscouldmaintainalinearrelationshipeveninlargeangulardisplacement．Thestrengthoftheexamplehadb

5、eencheckedunderthemaximumangulardisplacementoftheioint．TorsionstiffnessoftheiointwasalSOsimulatedandanalyzed．Thebendingstiffnessoftheexamplewascomparedamongthecomb．shapedflexurejoint，IT—LEJjointandLETjoint．Keywords：laminaemergentmechanisms；compliantmechanisms；comb-shapedflexurejoint；equiva

6、lentstiffness；finiteelementanalysis柔顺(柔性)机构是通过柔性构件的弹性变设计柔顺机构的关键问题之一是设计柔性铰形来输出力或运动的机构1J．平面折展机构链．为实现LEMs平面外运动，文献[4]提出了设(1aminaemergentmechanisms，LEMs)是由薄板材计LEMs铰链的思路和实例；文献[7]介绍了几料加工制成，可实现在平面外运动的一类柔顺机种可以实现大变形的柔性铰链；文献[8—9]提出构．LEMs除具有柔顺机构的特点外，还具有制了LET铰链及其等效刚度模型并进行了有限元造成本低、平面状态下体积小、便于运输等特分析；文献[1

7、0]提出了RUFF铰链、TUFF铰链以点，不仅能实现如四杆机构、滑块机构等运动，及LET复合柔性片段．为了解决LET铰链在运还能够实现如球面四杆机构、斯蒂芬森机构等_4J动中伴随拉压载荷会引起较大的耦合运动的问复杂的运动，因此具有广泛的应用，如文献[5]设题，文献[11]提出了I—LEJ铰链、T—LEJ铰链计的多层LEMs水杯架，文献[6]提出的多层和IT—LEJ铰链，使新型铰链能够承载较大范围LEMs注射器等．的拉压载荷．但在增加拉压刚度的同时，铰链的变收稿日期：2014—0l一17基金项目：国家自然科学基金资助