S形折叠式柔性铰链结构设计

中国机械工程

S形折叠式柔性铰链结构设计

闫凯1,2,3;张静1,2,3;寇子明1,2,3

1.太原理工大学机械工程学院，太原，030024
2.太原理工大学山西省矿山流体控制工程实验室，太原，030024
3.太原理工大学矿山流体控制国家地方联合工程实验室，太原，030024

出版日期:2017-07-25 发布日期:2017-07-26
基金资助:
国家自然科学基金资助项目（51505319）；
太原理工大学校基金资助项目(2014TD040)；
太原理工大学人才引进基金资助项目（tyut-rc201448a）
National Natural Science Foundation of China （No. 51505319）

Structure Design of S-type Foldable Flexible Hinges

YAN Kai1,2,3;ZHANG Jing1,2,3;KOU Ziming1,2,3

1.College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan，030024
2.Shanxi Province Mineral Fluid Controlling Engineering Laboratory,Taiyuan University of Technology,Taiyuan，030024
3.National-local Joint Engineering Laboratory of Mining Fluid Control,Taiyuan University of Technology,Taiyuan，030024

Online:2017-07-25 Published:2017-07-26
Supported by:
National Natural Science Foundation of China （No. 51505319）

摘要/Abstract

摘要： 为了减小柔性铰链的转动刚度，依据串并联关系，设计了S形折叠式柔性铰链。使用伪刚体法和能量法，建立了S形柔性铰链的刚度模型。利用ANSYS建立了该柔性铰链的有限元模型，对铰链进行了刚度和应力分析，并将其与理论值进行了比较，得到刚度误差约为3%，验证了刚度模型的准确性。当转角达到最大值±35°时，安全系数为4，符合设计要求。

关键词: 柔性铰链, 伪刚体法, 能量法, 等效刚度, 有限元分析

Abstract: According to principles of flexure hinge series and parallel relationship, a S-type foldable flexible hinge was designed in order to reduce flexibility and get a larger corner of the flexible hinges. Using pseudo rigid-body method and energy method, the stiffness model of S-type flexure hinges was deduced. By ANSYS, a finite element model of the flexible hinges was built, and the stiffness and stress analyses of the S-type hinges were carried out. It is found that the stiffness of errors are about 3% by comparing the simulation values and theoretical values. As a result, the stiffness model of S-type flexure hinges is proved right. When the rotational degrees about the flexure hinge are up to ±35°, the safety of factor is as 4. So the S-type foldable flexible hinges fully meet the design requirements.

Key words: flexure hinge, pseudo-rigid-body method, energy method, equivalent stiffness, finite element analysis

中图分类号:

TH122

闫凯1,2,3;张静1,2,3;寇子明1,2,3. S形折叠式柔性铰链结构设计[J]. 中国机械工程.

YAN Kai1,2,3;ZHANG Jing1,2,3;KOU Ziming1,2,3. Structure Design of S-type Foldable Flexible Hinges[J]. China Mechanical Engineering.

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参考文献

[1]秦宇，冯之敬. 直梁型柔性铰链制造误差对刚度性能影响的建模与分析[J]. 中国机械工程，2008，19(18)：2182-2185.
QIN Yu, FENG Zhijing. Manufacture Error of Corner-filleted Flexure Hinge on the Performance of the Stiffness of Theoretical Modeling and Analysis[J]. China Mechanical Engineering，2008，19(18)：2182-2185.
[2]邱丽芳，孟天祥，张九俏，等.梳齿形柔性铰链的设计与分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2014, 35(9)：1316-1320.
QIU Lifang，MENG Tianxiang，ZHANG Jiuqiao，et al. Design and Analysis of Comb-shaped Flexure Joint[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2014.35(9)：1316-1320.
[3]HOPKINS J B，CULPEPPER M L. Synthesis of Precision Serial Flexure Systems Using Freedom and Constraint Topologies(FACT)[J]. Precision Engineering，2011，35(4)：638-649.
[4]于靖军，郝广波，陈贵敏，等.柔性机构及其应用研究进展[J].机械工程学报，2015，51(13)：53-68.
YU Jingjun,，HAO Guangbo，CHEN Guimin，et al. State-of-art of Compliant Mechanisms and Their Applications[J]. Journal of Mechanical Engineering，2015，51(13)：53-68.
[5]赵磊，巩岩，华洋洋.直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵分析[J].中国机械工程，2013，24(18)：2462-2468.
ZHAO Lei，GONG Yan，HUA Yangyang.Compliance Matrix Analysis of Corner-filleted Flexure Hinge[J]. China Mechanical Engineering，2013，24(18)：2462-2468.
[6]HOU C W，LAN C C.Functional Joint Mechanisms with Constant-torque Outputs[J]. Mechanism & Machine Theory，2013，62：166-181.
[7]PEI X，YU J，ZONG G，et al.The Modeling of Cartwheel Flexural Hinges[J].Mechanism & Machine Theory，2009，44(10)：1900-1909.
[8]谭坤，宗光华，毕树生，等.大变形柔性铰链的多簧片结构[J].军民两用技术产品，2007(3)：38-42.
TAN Kun，ZONG Guanghua，BI Shusheng，et al. Multi-leaf Configuration of Expanded-motion-range Flexure Hinges[J]. Dual Use Technologies & Products, 2007(3)：38-42.
[9]李华，石庚辰.MEMS平面微弹簧弹性系数的研究[J].探测与控制学报，2005，27(4)：42-44.
LI Hua，SHI Gengchen. Study on the Elastic Coefficient of MEMS Planar Micro-spring[J]. Journal of Detection & Control，2005，27(4)：42-44.
[10]吴志亮，常娟，冯鹏洲，等.引信用MEMS平面微弹簧弹性系数分析[J].南京理工大学学报（自然科学版），2008，32(2)：140-143.
WU ZHiliang，CHANG Juan，FENG Pengzhou，et al. Elastic Coefficient Analysis of MEMS Planar Microspring Used in Fuse [J].Journal of Nanjing University of Science and Technology (Natural Science)，2008，32(2)：140-143.
[11]刘双杰，郝永平.Ｓ型折叠式微悬臂梁刚度计算[J].光学精密工，2013，21(2)：388-393.
LIU Shuangjie，HAO Yongping.Calculation for Spring Constants of Folded Serpentine Micro-cantilevers[J]. Optics and Precision Engineering，2013，21(2)：388-393.
[12]邱丽芳，韦志鸿，俞必强，等.LET柔性铰链的等效刚度分析及其参数优化[J].工程力学，2014，31(1)：188-192.
QIU Lifang，WEI Zhihong，YU Biqiang，et al. Analysis of Equivalent Stiffness and Parameter Optimization of Let Flexure Hinge[J]. Engineering Mechanics，2014，(1)：188-192.
[13]曹毅，刘凯，单春成，等.抗拉柔性铰链的理论建模及有限元分析[J].光学精密工程，2016，24(1)：119-125.
CAO Yi，LIU Kai，SHAN Chuncheng，et al.Theory Modeling and Finite Element Analysis of Tensile Flexure Hinge[J]. Optics and Precision Engineering，2016，24(1)：119-125.
[14]刘凯，曹毅，丁锐.平面折展机构平面弹簧的设计与分析[J].中国机械工程，2016，27(19)：2663-2667.
LIU Kai，CAO Yi，DING Rui.Design and Analysis of LEMs Planar Springs[J]. China Mechanical Engineering，2016，27(19)：2663-2667.

[1]	张萌, 张松林, 刘玉为, 刘时成, 范鹏举. 可调谐半导体激光器压电驱动系统的优化设计[J]. 中国机械工程, 2024, 35(04): 656-665.
[2]	刘衡, 汪志能, 宾光富, 林伟明, 林姚辰, 马雁翔. 考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(16): 1982-1990.
[3]	张龙, 张号, 王朝兵, 王晓博, 文培田, 赵丽娟. 显式动力学驱动的轴承变工况故障诊断方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(08): 982-992.
[4]	陈鑫, 刘江南, 龙汪鹏, 吕剑文. 多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(03): 269-276，286.
[5]	贾连辉, 李晓科, 袁文征, 何文斌, 廖兆锦. 基于拓扑优化和Kriging模型的前中盾结构轻量化设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2888-2897.
[6]	吴昊, 李宗轩, 张德福, 李清雅, 李云峰, . 交叉簧片柔性铰链设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(10): 1203-1209.
[7]	谢兴杰, 张小俭, . 激光加热辅助车削淬硬钢的白层形成临界切削速度预测与实验研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(01): 15-23.
[8]	杨旭, 周德俭, 庄功伟, 宋微, 刘潇龙, 佘雨来. 基于改进响应面法的电缆碳纤维增强复合材料集成构件电缆埋置位置优化[J]. 中国机械工程, 2021, 32(16): 2008-2015.
[9]	王传礼, 李成, 何涛, 陈国瑜, . 椭圆导角混合柔性铰链的设计计算与性能分析[J]. 中国机械工程, 2021, 32(09): 1017-1026.
[10]	林超, 沈忠磊, 李坪洋, 郑山. 垂直型多级位移放大机构设计与力学解析建模[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 908-915，937.
[11]	郝耀东, 顾灿松, 周焕阳, 董俊红, 李洪亮, 邓江华. 不确定声-固耦合模型高频分析的随机统计能量方法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 921-929.
[12]	秦勤1,2；何流1；李程2；臧勇1. 铜铝复合板渐进成形回弹缺陷研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(03): 348-356.
[13]	张大志, 管明升, 张清东, 王爱国, 周新亮. [成形过程仿真优化与集成计算材料工程]限动芯棒连轧管机轧制过程轧件变形行为及规律仿真[J]. 中国机械工程, 2020, 31(22): 2691-2698.
[14]	张耀满;暴凤旭;齐培宁. 滚珠丝杠螺母副热态特性建模方法[J]. 中国机械工程, 2020, 31(20): 2486-2490,2496.
[15]	徐庆贺1;王珉1;陈文亮1;刘登伟2. 面向壁板变形预测的局部位移场分层映射方法[J]. 中国机械工程, 2019, 30(23): 2870-2876,2883.