基于ANSYS的新型椭圆铰链疲劳仿真分析

翟自翔 刘胜

摘  要： 为寻找柔度更大的椭圆柔性铰链，将切口开槽与孔隙结构引入柔性铰链中，设计新型的椭圆柔性铰链。运用Solidworks对普通椭圆柔性铰链、含开槽式椭圆柔性铰链、含孔结构的椭圆柔性铰链建立实体模型，采用有限元分析法通过ANSY Workbench分别对这三种铰链进行柔度分析与疲劳分析。仿真结果表明：在椭圆柔性铰链中引入切口开槽或孔隙结构，均可增加铰链的柔度，同时也会降低铰链的疲劳失效安全系数。为含开槽式椭圆柔性铰链与含孔结构椭圆柔性铰链的疲劳研究提供参考。

关键词： 椭圆铰链;疲劳;开槽;孔结构;柔度

中图分类号： TH122    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.044

本文著录格式：翟自翔，刘胜. 基于ANSYS的新型椭圆铰链疲劳仿真分析[J]. 软件，2020，41（06）：217221

【Abstract】： In order to obtain the greater flexibility of elliptical flexible hinge， the incision opening and pore structure are introduced into the flexible hinge. A new type of elliptical flexible hinge was designed. The 3D model of elliptical flexible hinge， elliptical flexible hinge with slot and elliptical flexible hinge with porous structure was built by Solidworks. The flexibility analysis and fatigue analysis were carried out by ANSYS Workbench. The simulation results show that the introduction of incision opening or pore structure in the elliptical flexible hinge can increase the flexibility of the hinge， and also reduce the fatigue failure safety factor of the hinge. It provides reference for the study of fatigue about elliptical flexible hinge with slot and elliptical flexible hinge with porous structure.

【Key words】： Elliptical flexible hinge; Fatigue; Slot; Porous structure; Flexibility

0  引言

柔性铰链是通过材料自身弹性变形来实现所需功能的运动副，其具有体积小、无间隙、无机械摩擦、低噪声等优点。目前常见的柔性铰链有：直圆型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、双曲线型柔性铰链、抛物线型柔性铰链、倒圆角直梁型柔性铰链等。

柔性铰链多是在循环载荷下进行工作，因此柔性铰链常产生疲劳失效。Xu W等[1]人研究两种不同的柔性铰链，研究表明椭圆型柔性铰链的疲劳性能优于圆角直梁型铰链。Henein S等[2]研究直圆型柔性铰链的疲劳寿命问题。杜文婷[3]运用临界面法疲劳准则，建立叶型柔性铰链疲劳寿命预测模型。Dirksen F等[4]人柔顺机构拓扑优化与铰链疲劳，探索矩形、圆形和抛物线形铰链的安全系数。Ivanov I等[5]人通过疲劳试验研究柔性铰链，发现铰链转角、加载方式与表面粗糙度等均会影响铰链的疲劳寿命。肖圣龙[6]运用ANSYS对倒圆角直梁型柔性铰链进行疲劳分析。伍建军等[7]引入设计参数的随机性，使用蒙特卡罗抽样法研究铰链的疲劳可靠性与疲劳寿命。

以含开槽式椭圆柔性铰链与含孔隙结构的椭圆铰链为研究对象，运用有限元软件对其进行力学分析与疲劳仿真研究，并与传统椭圆铰链进行对比，得出新型椭圆铰链的疲劳寿命分布，确定其危险位置的疲劳寿命。

1  建立铰链模型

传统椭圆型柔性铰链的结构参数如图1所示。其中椭圆柔性铰链椭圆切口的长半轴与短半轴分布为a与b，w为铰链最小厚度，H为铰链高度，L为非切口处的长度。为提高铰链精度，则要求非切口处长度L至少铰链高度H的3倍[8]。在研究中，取值W=H，L=3H。

由式（4）可知橢圆柔性铰链的柔度与材料弹性模量E、铰链厚度w、铰链切口椭圆长半轴a与短半轴b有关。其中，铰链厚度的减小，会导致柔度增大。由此对传统椭圆型铰链进行改进，在椭圆切口中间部分开宽w1的槽，具体情况见图3所示。此外，文献[10]知孔结构可提高柔性铰链的柔度，故也可在椭圆柔性铰链椭圆切口增加孔结构以提高铰链柔度，详见图4所示。

2  铰链性能分析

2.1  建立铰链的实体模型

运用Solidworks建立铰链的三维模型，详见图5。铰链参数：H=w=20 mm，椭圆切口长半轴a=    10 mm，短半轴b=5 mm，切口最小厚度t=2 mm。铰链材料选择不锈钢，其弹性模量E=206 GPa，泊松比为0.3。

2.2  铰链柔性分析

柔度是柔性铰链的主要设计参数。由式（4）可知：当铰链的材料、切口形状固定的情况下，铰链厚度w的减小，可以提升椭圆柔性铰链的柔度。含开口槽式椭圆柔性铰链比传统椭圆柔性铰链具有更小的铰链厚度，因此含开口槽式椭圆柔性铰链具有更好的柔度。而含孔结构的椭圆柔性铰链则是将负泊松比的孔结构引入铰链结构中，利用孔隙之间的挤压缩小特性来增加铰链的柔度。

运用有限元分析软件ANSYS Workbench分别对传统椭圆柔性铰链、含开槽式椭圆柔性铰链、含孔结构的椭圆柔性铰链进行仿真分析对其柔度进行验证。三种铰链进行柔度分析时所采用的材料、载荷、边界条件均一致。仿真分析时，柔性铰链左端为固定端，故在铰链左侧试加全约束，铰链自由端施加沿着Y轴负方向的集中力F=50 N。对柔性铰链施加相同的边界条件与载荷，铰链发生的变形越大，其对应的柔度也越大。

在传统椭圆柔性铰链自由端施加沿着Y轴负方向的集中力F，则其产生的变形结果，见图6所示。

由圖6可知：传统椭圆柔性铰链的最大变形量为0.13768 mm。

研究含开槽式椭圆柔性铰链时，将尺寸w1分别取值2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm。然后对其分别施加相同的边界约束条件，在其自由端施加沿Y轴负方向的集中力F=50 N。含开槽式椭圆柔性铰链的最大变形量见表1所示。

由表1可知：随着尺寸w1的增大，含开槽式椭圆柔性铰链最大变形量也随之增大，并且增长率也随着变大。即对含开槽式椭圆柔性铰链而言，尺寸w1的增大，可使铰链具有更大的柔度。

对含孔结构的椭圆柔性铰链施加相同的边界约束条件，并在其自由端施加沿Y轴负方向的集中力F=50 N，则其产生的变形结果，见图7所示。

由图7可得：含孔结构的椭圆柔性铰链的最大变形量为0.16661 mm。相比于传统椭圆柔性铰链，含孔结构的椭圆柔性铰链形变量可增加21.01%。

综上可知：在传统椭圆柔性铰链的基础上，引入开槽与孔隙结构均可使铰链具有更大的柔度，且开槽尺寸w1与柔度之间呈正相关关系。

2.3  铰链疲劳分析

椭圆柔性铰链经常处在周期性载荷的工作环境下，其比较容易产生疲劳失效。因此需对柔性铰链进行疲劳仿真分析。

运用ANSYS Workbench对铰链进行疲劳分析时，需对其进行静力分析。将椭圆柔性铰链左侧固定，右侧施加沿着Y轴负方向的集中力。静力分析结果知：传统椭圆柔性铰链的最大应力为135.05 MPa;在w1分别取值2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的含开槽式椭圆柔性铰链中最大应力为276.94 MPa;含孔结构的椭圆柔性铰链的最大应力为140.23 MPa。这三类柔性铰链的最大应力值均小于不锈钢的屈服强度（310 MPa）。因此知这三类椭圆柔性铰链发生疲劳失效时，材料仍旧处于弹性变形的范围内。

依据上述静力分析结果，对三类不同的椭圆柔性铰链进行疲劳分析时均可采用名义应力法。打开ASNSYS Workbench，在静力分析的基础上添加疲劳分析工具。由于求解疲劳分析需要材料的S-N曲线，则在Engineering data中添加材料的S-N曲线数据，详见图8。

经过疲劳分析，可得铰链中的最小疲劳寿命，即整个铰链的疲劳寿命。就铰链疲劳寿命而言，传统椭圆柔性铰链与含孔结构的椭圆柔性铰链疲劳寿命循环次数为106次，尺寸w1为2 mm，4 mm，6 mm，8 mm的含开槽式椭圆铰链疲劳寿命循环次数为106次。当尺寸w1=10 mm时，含开槽式椭圆铰链疲劳寿命循环次数为150190次，其疲劳寿命见图9所示。

从图9可看出：含开槽式椭圆铰链最先在铰链切口最薄弱处发生疲劳损伤，且疲劳损伤位置沿着铰链宽度方向呈点线式分布。

由于三种柔性铰链疲劳寿命差异不大，因此可对柔性铰链疲劳分析的安全系数进行研究。具体数据见表2所示，铰链安全系数分布见图10-12所示。

从表2中可知：将开槽、孔隙结构引入椭圆柔性铰链中，均在一定程度上减小了铰链疲劳失效的安全系数。对含开槽式椭圆铰链而言，随着尺寸w1的增加，铰链的安全系数在下降，等效交替应力则在上升。

从图10-12观察知：无论有无开槽或孔隙结构，椭圆柔性铰链疲劳安全系数最低的区域分布在铰链椭圆切口最薄处附近，且疲劳安全系数从铰链椭圆切口最薄处沿着两侧逐渐增大。

3  归一化处理

4  结论

文中通过椭圆柔性铰链柔度模型，运用有限元分析软件ANSYS Workbench分别对传统椭圆柔性铰链、含开槽式椭圆柔性铰链及含孔结构的椭圆柔性铰链进行静力分析与疲劳分析，对比这三种铰链的柔度与疲劳性能。仿真结果可知：在椭圆柔性铰链中引入切口开槽或孔隙结构，均可增加铰链的柔度，同时也会降低铰链的疲劳失效安全系数。此外，对含开槽式椭圆柔性铰链而言，随着切口开槽尺寸w1的增大，铰链柔度亦会随之增大，而疲劳失效安全系数则会随之减小。

参考文献

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[2] Henein S， Aymon C， Bottinelli S， et al. Fatigue failure of thin wire-electrodischarge-machined flexure hinges[C]//Microro-botics and Microassembly. International Society for Optics and Photonics， 1999， 3834： 110-121.

[3] 杜文婷. 叶型柔性铰链疲劳分析与寿命预测[J]. 机电工程技术， 2011， 40（06）： 52-56+160.

[4] Dirksen F， Anselmann M， Zohdi T I， et al. Incorporation of flexural hinge fatigue-life cycle criteria into the topological design of compliant small-scale devices[J]. Precision Eng-ineering， 2013， 37（3）： 531-541.

[5] Ivanov I， Corves B. Fatigue testing of flexure hinges for the purpose of the development of a high-precision micro manipulator[J]. Mechanical Sciences， 2014， 5（2）： 59.

[6] 肖圣龙. 倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析[J]. 机电工程技术， 2014， 43（07）： 66-68.

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