适用于微位移机构的弹性铰链特性分析及试验研究

论文摘要

本文针对弹性铰链传统分析方法中存在的不足之处,通过理论、仿真和试验三者相结合的方法,对微位移机构中弹性铰链的失稳（屈曲）和刚度问题进行了研究。依据材料力学能量原理中的瑞利-里兹法,针对多节串联直角切口型弹性铰链和直角切口型弹性铰链平行四杆机构,建立了屈曲临界载荷力学模型并推导了相关计算公式,综合考虑了弹性铰链的连杆长度对其屈曲的影响;依据卡氏定理推导了双曲线型及椭圆型弹性铰链的柔度计算公式;采用伪刚体模型法推导了直角切口型及椭圆型弹性铰链平行四杆机构静刚度计算公式。利用有限元软件对直角切口型弹性铰链及其平行四杆机构模型进行了屈曲仿真分析,包括特征值屈曲分析和非线性屈曲分析;计算了双曲线型及椭圆型弹性铰链的柔度、直角切口型及椭圆型弹性铰链平行四杆机构的静刚度。制作了直角切口型弹性铰链及其平行四杆机构的样件,设计了试验装置,分别进行了屈曲和刚度试验,得到了相关的试验数据。通过在不同尺寸参数下的屈曲和刚度分析,比较了理论计算值、有限元仿真值及相关试验数据,证明了本文所建力学模型及推导公式的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文研究的内容
• 第二章 结构稳定性原理和屈曲有限元理论
• 2.1 结构稳定性原理概述
• 2.1.1 失稳问题的分类
• 2.1.2 临界载荷的计算方法
• 2.2 屈曲有限元理论
• 2.2.1 特征值（线性）屈曲分析
• 2.2.2 非线性屈曲分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 多节串联直角切口型弹性铰链的屈曲分析
• 3.1 引言
• 3.2 瑞利-里兹法简介
• 3.3 铰链屈曲临界载荷理论
• 3.4 铰链屈曲临界载荷分析
• 3.5 铰链屈曲临界载荷试验
• 3.6 铰链屈曲误差修正
• 3.7 本章小结
• 第四章 直角切口型弹性铰链平行四杆机构的屈曲分析
• 4.1 引言
• 4.2 刚构屈曲简介
• 4.3 机构屈曲临界载荷理论
• 4.4 机构屈曲临界载荷分析
• 4.5 机构屈曲临界载荷试验
• 4.6 机构屈曲误差分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 弹性铰链的柔度计算
• 5.1 引言
• 5.2 弯曲变形相关理论
• 5.2.1 弯曲变形能的计算
• 5.2.2 卡氏定理
• 5.3 双曲线型弹性铰链的柔度计算
• z'>5.3.1 绕z 轴的角变形量α_z
• y'>5.3.2 绕y 轴的角变形量α_y
• x'>5.3.3 沿x 轴的线变形量△_x
• y'>5.3.4 沿y 轴的线变形量△_y
• z'>5.3.5 沿z 轴的线变形量△_z
• 5.4 双曲线型弹性铰链柔度分析
• 5.5 椭圆型弹性铰链的柔度计算
• z'>5.5.1 绕z 轴的角变形量α_z
• y'>5.5.2 绕y 轴的角变形量α_y
• x'>5.5.3 沿x 轴的线变形量△_x
• y'>5.5.4 沿y 轴的线变形量△_y
• z'>5.5.5 沿z 轴的线变形量△_z
• 5.6 椭圆型弹性铰链柔度分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 弹性铰链平行四杆机构的静刚度分析
• 6.1 引言
• 6.2 伪刚体模型简介
• 6.3 弹性铰链平行四杆机构的伪刚体模型
• 6.4 直角切口型弹性铰链平行四杆机构静刚度计算
• 6.4.1 机构静刚度计算理论模型
• 6.4.2 机构静刚度计算分析
• 6.4.3 机构静刚度试验
• 6.5 椭圆型弹性铰链平行四杆机构静刚度计算
• 6.5.1 机构静刚度计算理论模型
• 6.5.2 机构静刚度计算分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结及展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文