International Journal of Mechanical Sciences ( IF 7.3 ) Pub Date : 2021-06-12 , DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106587 Pietro Bilancia , Mario Baggetta , Guangbo Hao , Giovanni Berselli
The Cross-Axis Flexural Pivot (CAFP) is a well-established compliant rotational joint characterized by a highly configurable behavior. Its classic form, consisting of two uniform beams that cross at an arbitrary angle, has been thoroughly examined via either theoretical approaches or Finite Element Analysis (FEA). Conversely, the effects of utilizing variable section beams have had minor consideration, possibly due to the more complex modeling phase. The present paper addresses the analysis of CAFPs incorporating beams whose width and thickness are assumed to vary along the axis with either linear or parabolic functions. The CAFP planar behavior is studied resorting to the Beam-Constraint Model (BCM) for different load cases, namely with an ideal rotation applied to one rigid link or a more practicable cable-driven actuation. To extend the use of BCM to large deflections, each CAFP’s beam is modeled as a chain of two BCM elements, named Bi-BCM. A preliminary study has been carried out to establish empirical equations that provide the BCM characteristic coefficients for every considered beam shape. Next, these have been used to perform the pivot behavioral analysis and to generate, as an output of the sensitivity studies, the performance maps of stiffness, maximum stress and center shift. These results have been verified with FEA, which confirmed the Bi-BCM accuracy for any tested configuration. Finally, direct comparisons between predicted behaviors of the CAFP actuated via the flexible cable and experimental data obtained with 3D printed specimens further validated the proposed Bi-BCM model.
中文翻译:
基于变截面梁的 Bi-BCM 公式,用于交叉轴弯曲枢轴的动静力学分析
Cross-Axis Flexural Pivot (CAFP) 是一种成熟的柔性旋转接头,其特点是高度可配置的行为。它的经典形式由两个以任意角度交叉的均匀光束组成,已经通过理论方法或有限元分析 (FEA) 进行了彻底检查。相反,使用可变截面梁的影响很少考虑,可能是由于更复杂的建模阶段。本论文讨论了对包含梁的 CAFP 的分析,这些梁的宽度和厚度被假定为沿轴以线性或抛物线函数变化。借助梁约束模型 (BCM) 研究 CAFP 平面行为,适用于不同的载荷情况,即理想旋转应用于一个刚性连杆或更实用的电缆驱动驱动。为了将 BCM 的使用扩展到大挠度,每个 CAFP 的梁都被建模为由两个 BCM 元素组成的链,称为 Bi-BCM。已经进行了初步研究,以建立经验方程,为每个考虑的光束形状提供 BCM 特征系数。接下来,这些已被用于执行枢轴行为分析,并生成刚度、最大应力和中心偏移的性能图作为灵敏度研究的输出。这些结果已通过 FEA 验证,证实了任何测试配置的 Bi-BCM 精度。最后,通过柔性电缆驱动的 CAFP 的预测行为与 3D 打印标本获得的实验数据之间的直接比较进一步验证了所提出的 Bi-BCM 模型。每个 CAFP 的梁都被建模为由两个 BCM 元素组成的链,称为 Bi-BCM。已经进行了初步研究,以建立经验方程,为每个考虑的光束形状提供 BCM 特征系数。接下来,这些已被用于执行枢轴行为分析,并生成刚度、最大应力和中心偏移的性能图作为灵敏度研究的输出。这些结果已通过 FEA 验证,证实了任何测试配置的 Bi-BCM 精度。最后,通过柔性电缆驱动的 CAFP 的预测行为与 3D 打印标本获得的实验数据之间的直接比较进一步验证了所提出的 Bi-BCM 模型。每个 CAFP 的梁都被建模为由两个 BCM 元素组成的链,称为 Bi-BCM。已经进行了初步研究,以建立经验方程,为每个考虑的光束形状提供 BCM 特征系数。接下来,这些已被用于执行枢轴行为分析,并生成刚度、最大应力和中心偏移的性能图作为灵敏度研究的输出。这些结果已经通过 FEA 验证,证实了任何测试配置的 Bi-BCM 精度。最后,通过柔性电缆驱动的 CAFP 的预测行为与 3D 打印标本获得的实验数据之间的直接比较进一步验证了所提出的 Bi-BCM 模型。已经进行了初步研究,以建立经验方程,为每个考虑的光束形状提供 BCM 特征系数。接下来,这些已被用于执行枢轴行为分析,并生成刚度、最大应力和中心偏移的性能图作为灵敏度研究的输出。这些结果已通过 FEA 验证,证实了任何测试配置的 Bi-BCM 精度。最后,通过柔性电缆驱动的 CAFP 的预测行为与 3D 打印标本获得的实验数据之间的直接比较进一步验证了所提出的 Bi-BCM 模型。已经进行了初步研究,以建立经验方程,为每个考虑的光束形状提供 BCM 特征系数。接下来,这些已被用于执行枢轴行为分析,并生成刚度、最大应力和中心偏移的性能图作为灵敏度研究的输出。这些结果已通过 FEA 验证,证实了任何测试配置的 Bi-BCM 精度。最后,通过柔性电缆驱动的 CAFP 的预测行为与 3D 打印标本获得的实验数据之间的直接比较进一步验证了所提出的 Bi-BCM 模型。刚度、最大应力和中心偏移的性能图。这些结果已通过 FEA 验证,证实了任何测试配置的 Bi-BCM 精度。最后,通过柔性电缆驱动的 CAFP 的预测行为与 3D 打印标本获得的实验数据之间的直接比较进一步验证了所提出的 Bi-BCM 模型。刚度、最大应力和中心偏移的性能图。这些结果已通过 FEA 验证,证实了任何测试配置的 Bi-BCM 精度。最后,通过柔性电缆驱动的 CAFP 的预测行为与 3D 打印标本获得的实验数据之间的直接比较进一步验证了所提出的 Bi-BCM 模型。