● 摘要
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。由于柔性铰链能够有效消除刚性铰链中的间隙和运动回程差，因此可以得到很高的运动精度和运动分辨率。但是传统缺口型柔性铰链的运动行程一般都比较小，其结构特点决定了非功能方向刚度有限，且转动轴心的漂移不可避免，应用领域受到限制。目前在航空航天领域中都要求柔性铰链拥有较大的运动范围、很高的定位精度以及非常小的轴心漂移。而关于新型柔性铰链的设计与性能分析的相关理论的研究还处于初级阶段，尤其是柔性铰链的设计更多地依赖于经验，这在一定程度上影响到它的应用和发展。因此开展柔性铰链的设计及分析方法研究很有必要性。另外，当柔性铰链机构在工作中承受高压载荷时，对其进行屈曲分析特别是屈曲临界载荷的计算就显得至关重要。为此，本论文针对基于屈曲理论的柔性铰链分析及设计方法问题开展了如下研究： 首先，建立了直角切口型柔性铰链支链、直角切口型柔性铰链平行四杆机构及2-DOF直角切口型柔性虎克铰平行六杆机构屈曲分析理论模型，讨论了连杆长度对柔性铰链屈曲的影响程度，得出了平行六杆机构的屈曲特性与其跨度无关的结论，通过实验验证了屈曲理论模型的正确性。 然后，提出了一种基于屈曲理论的设计大变形柔性铰链的方法。重点阐述了该方法的设计原理及大变形柔性铰链的构建过程，并给出了DC-型和DC+型两种新型柔性铰链；利用有限元仿真技术比较和分析了DC型柔性铰链形状对其柔度的影响。 其次，利用数理统计学中的正交试验法并结合有限元及数值仿真技术对两种正圆DC型柔性铰链的最大应力及其功能方向上的柔度进行了回归分析，得到了它们与柔性铰链各结构参数的最优回归方程，并通过实验验证了最优回归方程的正确性和实用性。 最后，对两种正圆DC型柔性铰链的精度特性(主要表现为轴心漂移)进行了深入研究，在总结前人研究成果的基础上选择了一种能全面评价柔性铰链轴漂特性的方法；利用该方法并在有限元仿真和实验的基础上比较了正圆DC型柔性铰链和传统型柔性铰链的轴漂性能；详细分析了影响柔性铰链轴漂大小的各种因素；从驱动载荷方面给出了一种能减小柔性铰链轴漂的方法。