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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
弹性材料在外部力或力矩的作用下，会在相邻刚性构件之间相对薄弱处产生弹性变形，进而产生有限的相对运动，基于这种变形原理的运动副称之为柔性铰链。传统的缺口型柔性铰链由于自身结构限制，导致其运动行程较小，非功能方向刚度有限，应用领域受到限制。而随着航天工程和精密工程的发展，要求柔性铰链能够拥有较大的运动行程及高精度，因此大变形柔性铰链的需求日益增多。目前对于新型大变形柔性铰链的性能分析与设计还出于初级阶段，在一定程度上影响了它的应用和发展，所以开展大变形柔性铰链的性能分析及设计方法研究是十分必要的。本文利用薄板柔性单元组成柔性虚拟运动中心（Virtual-Center-of-Motion, VCM）模块，构建出新型的大变形环形柔性铰链，并给出了其伪刚体模型和基于结构无量纲参数的快速设计方法，最后将环形柔性铰链用于2R柔性平台中。论文的主要内容为：（1） 现有大变形柔性铰链所采用的薄板柔性单元都可以看作是由开口任意截面曲线薄板柔性单元衍化而来。基于薄壁构件的基本假定，利用虚功原理，结合有限变形理论同时考虑横向正应力的影响，分别给出了开口任意截面曲线薄板柔性单元、矩形等截面直线薄板柔性单元、矩形等截面曲线薄板柔性单元和开口等截面直线薄板柔性单元的基本微分方程，并给出考虑几何非线性情况下的总势能。与有限元分析结果对比，微分方程的误差不超过2.2%。（2） 将矩形等截面薄板柔性单元与1自由度VCM结构相结合，得到一类柔性VCM模块。将这种柔性VCM模块采用叠加的方法构建出四种环形柔性铰链，分别为曲柔环形柔性铰链 （Curved-Compliant Annulus-Shaped Flexure Hinge typeⅠ ( CCASFHⅠ)；Curved-Compliant Annulus-Shaped Flexure Hinge typeⅡ( CCASFHⅡ ) ）、直柔环形柔性铰链（Straight Compliant Annulus-Shaped Flexure Hinge ( SCASFH ) ）和含块直柔环形柔性铰链（Lump Compliant Annulus-Shaped Flexure Hinge ( LCASFH) ），其中CCASFH是一种新型的环形柔性铰链。有限元分析结果显示，CCASFH的转动行程可以达到15o，是一种大变形柔性铰链。（3） 环形柔性铰链是一类结构复杂的柔性铰链，用数值方法和有限元方法进行性能分析会过于复杂。因此本论文使用较为简单的伪刚体方法建立了四种环形柔性铰链的数学模型，特别的，对于CCASFHⅠ和CCASFHⅡ建立了更为简化的主运动单元伪刚体模型。环形柔性铰链的有限元分析与伪刚体模型之间计算结果对比显示，铰链转动位置误差不超过4.5%，驱动力矩与转动角度误差不超过9%，本论文所建立的环形柔性铰链伪刚体模型的是准确有效地。（4） 在使用材料确定、柔性单元确定的情况下，柔性铰链的性能与其自身的结构参数有着密切的关系。本论文给出了环形柔性铰链基于结构参数的无量纲因子，用该无量纲因子描述了环形柔性铰链的轴向刚度特性、径向刚度特性、转动刚度特性和转动应力特性，给出了无量纲公式和无量纲图。在假设转动角度和材料应力相同的前提下，对CCASFHⅠ、CCASFHⅡ、SCASFH和LCASFH三种环形柔性铰链的性能进行了对比，结果显示四种柔性铰链各有优点，随着结构参数的改变，没有哪一种柔性铰链的性能能够完全优于其他铰链，因此在使用时需要根据任务需求合理选择环形柔性铰链的构型。（5） 给出了基于无量纲参数的环形柔性铰链快速设计方法。使用该方法设计并利用精密慢走丝线切割机床加工出了三种环形柔性铰链，并采用扭矩传感器、音圈电机等搭建了测试平台。试验结果表明，利用无量纲参数进行环形柔性铰链设计不仅流程简单，而且转动行程设计需求与实验数据相比误差不超过4%，说明该设计方法是快速有效的。（6）设计了一个以环形柔性铰链为核心转动部件的2R转动平台，利用无量纲快速设计方法确定铰链构型为CCASFHⅡ。该平台采用摆动型音圈电机作为驱动，磁栅作为位置反馈，试验表明环形柔性铰链柔性平台有较高的精度，若采用更高精度位置传感器（例如光栅）作为反馈，平台精度还能有大幅度提高，为环形柔性铰链的实际应用做了初步研究。 |
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