管狀柔性鉸鏈的有限元分析

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(dòng)機(jī)構(gòu)，用途更為廣泛。應(yīng)用有限元軟件對(duì)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(guò)對(duì)實(shí)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(guò)對(duì)薄壁管進(jìn)行切削加工，形成圓弧切口，在外力作用時(shí)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(dòng)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(zhǎng)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?jiǎn)單的柔性鉸鏈，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(jì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)程采用幾何非線性，打開大應(yīng)變選項(xiàng)（Large Displayment Static）。通過(guò)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(jì)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(duì)比，下面分別以100N，200N，300N，400N，500N為例列出形變圖（如圖6）。

同時(shí)，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(yǔ)

上述模擬過(guò)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(shuō)明線彈性材料的管狀柔性鉸鏈發(fā)生大應(yīng)變時(shí)具有幾何非線性特征。在文章研究基礎(chǔ)之上，可以對(duì)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(dòng)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(jì)算過(guò)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(jì)方法的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010（7）：2-4.

[2]李世俊.柔性鉸鏈靜動(dòng)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(jì)中的研究與實(shí)踐[J].化工高等教育，2010（6）：48-51.

作者簡(jiǎn)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(tái)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(jì)制造及其自動(dòng)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。