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是一種新型的柔性鉸鏈，其優點是內部可設置鋼絲等傳動機構，用途更為廣泛。應用有限元軟件對管狀柔性鉸鏈在受力作用下的形變和應力狀態進行研究，得出受力和形變具有非線性關系特征。

關鍵詞：管狀柔性鉸鏈；有限元；非線性關系

1 概述

典型的柔性鉸鏈機構是通過對實體梁進行切削加工，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，通過對薄壁管進行切削加工，形成圓弧切口，在外力作用時該結構產生可逆的彈性形變，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。較之于傳統柔性鉸鏈，其最大特點是鉸鏈的連接部分是管狀構件，可以在內部布置一些傳動系統，比如：鋼絲等。此結構不僅具有一般柔性鉸鏈的特點并且這種柔性鉸鏈比一般鉸鏈具有更大的工程應用范圍。

（a） （b）

圖1 傳統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。機構全長l=100mm，內徑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。圓形開口柔性鉸鏈是最簡單的柔性鉸鏈，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 研究方法及結果

3.1 ANSYS模型建立和加載計算方法

依據上述模型尺寸在ANSYS14.0軟件中建立片體模型，由于機構對稱，可建立1/2模型，如圖3（a）所示。由于機構內徑遠大于壁厚，采用殼單元對機構進行模擬，假設機構為薄壁圓筒，選擇SHELL181單元。SHELL181適用于薄到中等厚度的殼結構，具有應力剛化及大變形功能，該單元有強大的非線性功能，并有截面數據定義、分析、可視化等功能。

其他參數設置：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。自由劃分網格，中間開口處網格加密處理，采用類似懸臂梁方式加載集中力，如圖3（b）所示。

通過加載不同大小的集中力，觀察鉸鏈的變形和應力分布情況。求解過程采用幾何非線性，打開大應變選項（Large Displayment Static）。通過觀察節點N的縱向位移和轉角大小，研究其形變和應力分布情況，如圖4所示。

圖4 節點位移和節點轉角

3.2 計算和分析結果

加載范圍嘗試從0N-1000N，每次遞增50N，觀察記錄形變狀態和節點數據。記錄在集中力F作用下，節點N的縱向位移為節點N在Y軸的位移UY，節點N轉角為節點N繞Z軸的轉角θ。整理數據結果，繪制成力-位移曲線和力-轉角曲線，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比，下面分別以100N，200N，300N，400N，500N為例列出形變圖（如圖6）。

同時，應力集中的位置容易觀察，在柔性鉸鏈的圓形開口區域內部，應力值最大（如圖7）。

4 結束語

上述模擬過程中，圓形開口管狀柔性鉸鏈在集中力F的作用下，發生彈性形變，其力-轉角曲線和力-位移曲線呈現非線性關系，說明線彈性材料的管狀柔性鉸鏈發生大應變時具有幾何非線性特征。在文章研究基礎之上，可以對其他形狀開口管狀柔性鉸鏈、多開口管狀柔性鉸鏈進行深入研究，加入傳動裝置后，可應用于具有自回復特性的仿生機械手指。然而，文章在模擬計算過程中未考慮材料的屈服極限和鉸鏈回轉中心的偏移，在以后的研究中應予以考慮。

參考文獻

[1]于靖軍，裴旭.柔性鉸鏈機構設計方法的研究進展[J].機械工程學報，2010（7）：2-4.

[2]李世俊.柔性鉸鏈靜動力學、疲勞壽命及可靠性分析研究[D].西安電子科技大學，2006.

[3]李峰，趙杰.UG軟件在機械專業畢業設計中的研究與實踐[J].化工高等教育，2010（6）：48-51.

作者簡介：郝振杰（1990-），男，河北唐山人，碩士，研究方向：力學及其工程應用。

剛芹果（1967-），男，河北邢臺人，教授，研究方向：力學及其工程應用。

朱曄（1987-），男，河北保定人，碩士，研究方向：機械設計制造及其自動化。

陸微微（1986-），女，河北正定人，格力電器（石家莊）有限公司技術科，質量管理員。