基于柔性铰链的晶体压弯微调机构设计与研究

摘要

随着我国高能原子物理产业的发展，对同步辐射技术领域的研究越来越受到科技工作者的重视和青睐。在同步辐射技术当中，弧矢聚焦双晶单色器的工作性能引起了国内外专家的广泛重视。其中，同步辐射弧矢聚焦双晶单色器的框架结构中共有两个平面晶体，分别称之为第一晶体和第二晶体，均起着不可替代的重要作用。为了保障同步辐射弧矢聚焦双晶单色器的正常工作性能，就必须在第二晶体上设置一种机械装置，用来对第二晶体在弧矢方向上进行压弯，从而改变第二晶体的曲率半径，最终得到高强度的单色X光束线，满足弧矢聚焦双晶单色器的预期效果和工作性能。所以，根据弧矢聚焦双晶单色器的上述工作原理，本论文的主要内容就是设计一种微型机械类柔性机构-弧矢聚焦晶体压弯微调机构，并且对其进行理论分析和研究，使本文设计的压弯机构能够符合同步辐射弧矢聚焦双晶单色器的工作性能和使用要求。 在本文设计的压弯机构中，其核心部件是柔性铰链。因此，对柔性铰链的分析和研究对于压弯机构的结构设计和理论分析具有及其重要的意义。柔性铰链是一种新型特殊的传动机构，在现代制造业中的微型机械类领域已经得到了广泛的应用。本文以单轴柔性铰链为研究对象，重点对其进行力学性能分析。通过理论分析和有限元分析，对三种常见的柔性铰链：直圆型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、矩形柔性铰链的各项性能指标进行对比研究，最终确定以直圆型柔性铰链作为压弯机构的核心部件。在前人的研究基础上自行推导出直圆型柔性铰链的另一形式的转动刚度计算解析式以及储存能量表达式；分析了柔性铰链在载荷作用下的变形特点和机械特性；阐述了柔性铰链的材料选取原则和加工方式等等。 本论文通过对压弯机构的核心部件-柔性铰链的分析和研究，在此基础上设计出微型机械类柔性机构-弧矢聚焦晶体压弯微调机构，并且对压弯机构进行理论分析。对压弯机构的设计原理进行了阐述；对压弯机构的结构设计进行了优化分析和说明；重点推导出压弯机构所受外加载荷与晶体压弯曲率半径之间的函数解析式；确定了压弯机构整体设计的结构参数和材料特征；对柔性铰链在压弯机构中的力学特性和应力可靠性进行了理论分析和有限元法验证；对压弯机构的疲劳强度和安全可靠性问题进行了论述。 本论文的研究工作，较好地解决了同步辐射领域中关于弧矢聚焦晶体压弯的技术问题，使得原子物理应用与机械结构设计相辅相成、有机地结合在一起。通过对压弯机构的设计和分析，同时也拓展了柔性铰链的应用和研究范围。本论文的研究成果对类似的微型机械类柔性机构的分析和研究提供了一定的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

论文彰：主要符号表

声明

1绪论

1.1课题来源及选题意义

1.2微型机械的发展现状

1.3柔性机构及其应用

1.4柔性铰链及其应用

2柔性铰链性能分析与研究

2.1柔性铰链概述

2.1.1柔性铰链的定义

2.1.2柔性铰链的基本工作原理和特点

2.1.3柔性铰链的常见结构形状

2.2柔性铰链转动刚度的分析

2.2.1柔性铰链传统的分析和设计方法

2.2.2柔性铰链转动刚度(柔度)计算公式的推导

2.2.3算例

2.3柔性铰链回转能力和回转精度的分析

2.3.1椭圆型柔性铰链回转精度分析

2.3.2柔性铰链柔度精度比

2.4柔性铰链内部应力的分析

2.4.1理论分析

2.4.2有限元法分析

2.4.3柔性铰链材料类型和结构参数对铰链内部应力的影响

2.5柔性铰链力学分析

2.5.1力矩和角偏转之间的对应关系

2.5.2力和线性位移之间的关系

2.5.3柔性铰链的最大偏转角度

2.6柔性铰链存储能量计算

2.7柔性铰链材料的选取和加工

2.8本章小结

3压弯微调机构设计与研究

3.1伪刚体模型法概述

3.2压弯机构运动理论分析

3.3柔性压弯微调机构的力学分析

3.3.1压弯机构工作原理

3.3.2压弯机构力学分析

3.3.3压弯机构中柔性铰链的弯矩损失

3.4压弯机构动力学和固有频率分析

3.5压弯机构动力学设计及阻尼影响简述

3.5.1压弯机构动力学设计简述

3.5.2压弯机构阻尼影响简述

3.6压弯机构结构设计思想论述

3.7压弯机构中柔性铰链的安全可靠性分析

3.8压弯晶体的力学性能分析

3.8.1平面薄层晶体的压弯分析

3.8.2平面薄层晶体鞍型形变抑制简述

3.9柔性铰链和压弯机构的疲劳寿命及安全性分析

3.9.1柔性铰链和压弯机构的疲劳问题及疲劳分析

3.9.2工程机械领域中对疲劳的定义

3.9.3影响机械结构疲劳寿命的主要因素

3.9.4影响柔性铰链疲劳寿命的因素分析

3.9.5压弯机构疲劳设计简述

3.9.6机械结构安全性问题简述

3.10本章小结

4结论

4.1本论文的主要研究工作和研究成果

4.2下一步的工作规划

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢