管状柔性铰链的有限元分析

【摘要】（a） （b） 图1 传统柔性铰链和管状柔性铰链 2 管状柔性铰链模型 仿照典型的直圆形柔性铰链[2]，利用UGNX6.0[3]建模软件建立了圆形开口管状柔性铰链模型，其外形尺寸如图2所示。机...

摘 要：基于薄壁圆筒的单开口管状柔性铰链是一种新型的柔性铰链，其优点是内部可设置钢丝等传动机构，用途更为广泛。应用有限元软件对管状柔性铰链在受力作用下的形变和应力状态进行研究，得出受力和形变具有非线性关系特征。

关键词：管状柔性铰链；有限元；非线性关系

1 概述

典型的柔性铰链机构是通过对实体梁进行切削加工，形成不同形状开口的弹性部位作为柔性铰链，根据柔性铰链的开口形状可分为直梁型、圆角形、抛物线形和双曲线型等[1]。其中直圆形柔性铰链如图1

（a）所示。文章提出一种新的柔性铰链形式，通过对薄壁管进行切削加工，形成圆弧切口，在外力作用时该结构产生可逆的弹性形变，由此具备弹性铰链的特性，称之为管状柔性铰链，如图1（b）所示。较之于传统柔性铰链，其最大特点是铰链的连接部分是管状构件，可以在内部布置一些传动系统，比如：钢丝等。此结构不仅具有一般柔性铰链的特点并且这种柔性铰链比一般铰链具有更大的工程应用范围。

（a） （b）

图1 传统柔性铰链和管状柔性铰链

2 管状柔性铰链模型

仿照典型的直圆形柔性铰链[2]，利用UGNX6.0[3]建模软件建立了圆形开口管状柔性铰链模型，其外形尺寸如图2所示。机构全长l=100mm，内径r=10mm，壁厚d=1mm，中心圆形开口直径R=10mm，圆心距底边垂直距离s=2.5mm。圆形开口柔性铰链是最简单的柔性铰链，在以后的研究中，还可以做椭圆形、抛物线形或直角形等其他开口形式的柔性铰链。

图2 圆形开口管状柔性铰链尺寸

3 研究方法及结果

3.1 ANSYS模型建立和加载计算方法

依据上述模型尺寸在ANSYS14.0软件中建立片体模型，由于机构对称，可建立1/2模型，如图3（a）所示。由于机构内径远大于壁厚，采用壳单元对机构进行模拟，假设机构为薄壁圆筒，选择SHELL181单元。SHELL181适用于薄到中等厚度的壳结构，具有应力刚化及大变形功能，该单元有强大的非线，并有截面数据定义、分析、可视化等功能。

其他参数设置：截面厚度s=1mm，材料选择弹性形变能力较好的铝铜合金，弹性模量E=120GPa，泊松比v=0.3。自由划分网格，中间开口处网格加密处理，采用类似悬臂梁方式加载集中力，如图3（b）所示。

通过加载不同大小的集中力，观察铰链的变形和应力分布情况。求解过程采用几何非线性，打开大应变选项（Large Displayment Static）。通过观察节点N的纵向位移和转角大小，研究其形变和应力分布情况，如图4所示。

图4 节点位移和节点转角

3.2 计算和分析结果

加载范围尝试从0N-1000N，每次递增50N，观察记录形变状态和节点数据。记录在集中力F作用下，节点N的纵向位移为节点N在Y轴的位移UY，节点N转角为节点N绕Z轴的转角θ。整理数据结果，绘制成力-位移曲线和力-转角曲线，如图5所示。

为了直观的表示管状柔性铰链的形变，可以将不同力作用下的形变图加以对比，下面分别以100N，200N，300N，400N，500N为例列出形变图（如图6）。

同时，应力集中的位置容易观察，在柔性铰链的圆形开口区域内部，应力值最大（如图7）。

4 结束语

上述模拟过程中，圆形开口管状柔性铰链在集中力F的作用下，发生弹性形变，其力-转角曲线和力-位移曲线呈现非线性关系，说明线弹性材料的管状柔性铰链发生大应变时具有几何非线性特征。在文章研究基础之上，可以对其他形状开口管状柔性铰链、多开口管状柔性铰链进行深入研究，加入传动装置后，可应用于具有自回复特性的仿生机械手指。然而，文章在模拟计算过程中未考虑材料的屈服极限和铰链回转中心的偏移，在以后的研究中应予以考虑。

参考文献

[1]于靖军，裴旭.柔性铰链机构设计方法的研究进展[J].机械工程学报，2010（7）：2-4.

[2]李世俊.柔性铰链静动力学、疲劳寿命及可靠性分析研究[D].西安电子科技大学，2006.

[3]李峰，赵杰.UG软件在机械专业毕业设计中的研究与实践[J].化工高等教育，2010（6）：48-51.

作者简介：郝振杰（1990-），男，河北唐山人，硕士，研究方向：力学及其工程应用。

刚芹果（1967-），男，河北邢台人，教授，研究方向：力学及其工程应用。

朱晔（1987-），男，河北保定人，硕士，研究方向：机械设计制造及其自动化。

陆微微（1986-），女，河北正定人，格力电器（石家庄）有限公司技术科，质量管理员。