Title Analiza konstrukcijskih parametara rotacijskih podatljivih mehanizama s lisnatim oprugama : doktorska disertacija
Title (english) Analysis of influencing parameters in the design of cross - spring pivots : doctoral thesis
Author Kristina Marković MBZ: 244683
Mentor Saša Zelenika (mentor)
Committee member Dubravka Siminiati (predsjednik povjerenstva)
Committee member Saša Zelenika (član povjerenstva)
Committee member Nenad Pavlović (član povjerenstva) strani drzavljanin: Nije dostupno
Granter University of Rijeka Faculty of Engineering Rijeka
Defense date and country 2015-03-20, Croatia
Scientific / art field, discipline and subdiscipline TECHNICAL SCIENCES Mechanical Engineering
Universal decimal classification (UDC ) 621 - Mechanical engineering. Nuclear technology. Machinery
Abstract Podatljivi mehanizmi, kod kojih se barem dio pokretljivosti ostvaruje elastičnom deformacijom podatljivih dijelova, su alternativa mehanizmima temeljenim na klizanju i kotrljanju koji služe za prijenos gibanja, snage ili sile. Podatljivi mehanizmi u širokoj su uporabi u konstrukcijskom strojarstvu, preciznom inženjerstvu, tehnologiji mikro– i nanosustava te u svakodnevnom životu.
U doktorskoj disertaciji analiziraju se konstrukcijski parametri različitih konfiguracija rotacijskih podatljivih mehanizama s lisnatim oprugama. Osnovni ciljevi koji se postavljaju pri konstruiranju takvih mehanizama su: što veća rotacijska preciznost i točnost, što manja varijabilnost rotacijske krutosti, stabilnost, jednostavnost konstrukcije i pouzdanost.
Budući da se razmatrani mehanizmi temelje na lisnatim oprugama, osnova predviđanja njihovog ponašanja upravo je analiza karakterističnih parametara lisnatih opruga. Kako bi se provela analiza konstrukcijskih parametara simetričnih rotacijskih podatljivih mehanizama s lisnatim oprugama opterećenih momentom, u okviru doktorske disertacije razvijen je analitički model lisnatih opruga na polju velikih (geometrijski nelinearnih) deformacija primjenom tzv. Elastica metode kao i numerički model metodom konačnih elemenata. S ciljem utvrđivanja točnosti numeričkog modela pri analizi ponašanja rotacijskih podatljivih mehanizama, rezultati dobiveni tim modelom uspoređeni su s eksperimentalnim mjerenjima dostupnima u literaturi. Da bi se pak odredile granice primjenjivosti analitičkih metoda proračuna u ovisnosti o zahtijevanom stupnju točnosti, rezultati analitičke simulacije naprezanja i deformacija razmatranih mehanizama uspoređeni su zatim s rezultatima dobivenim metodom konačnih elemenata. Kako bi se potom optimizirala konstrukcijska konfiguracija, odnosno identificiralo konstrukcijsko rješenje koje omogućuje minimizaciju parazitnih pomaka i varijabilnosti rotacijske krutosti mehanizma i pri većim kutovima rotacije, metodom konačnih elemenata analizirani su utjecaj kuta među lisnatim oprugama, točke presjecišta opruga te početne zakrivljenosti opruga. Na kraju disertacije provedena je i analiza utjecaja vanjskih opterećenja na varijabilnost rotacijske krutosti i na veličinu parazitnih pomaka.
Rezultati dobiveni u doktorskoj disertaciji omogućuju ne samo vrednovanje utjecaja konstrukcijskih parametara na ponašanje rotacijskih podatljivih mehanizama s lisnatim oprugama, odnosno utjecaja tih parametara na rotacijsku krutost te točnost mehanizma, nego i stvaraju preduvjete za razvoj nove klase rotacijskih podatljivih mehanizama ultravisokih preciznosti i točnosti sa širokim poljem primjene u industrijskoj i konstrukcijskoj praksi.
Abstract (english) Compliant mechanisms, that gain at least part of their mobility from the deflection of flexible members, are an alternative to conventional sliding and rolling mechanisms used to transfer motion, power or force. Compliant mechanisms are nowadays widely used in mechanical engineering design, precision engineering as well as the micro- and nanosystems technologies.
Parameters influencing the design of different configurations of cross-spring pivots are analysed in this doctoral thesis. In fact, the main goals in their design are: achieving the highest possible accuracy and precision, achieving the lowest possible variability of rotational stiffness, stability, design simplicity and reliability.
Since the considered mechanisms are constituted by spring-strips, the prediction of their behaviour is to be based on the analysis of the characteristic parameters of the strips themselves. In order to analyse the influencing parameters in the design of symmetrical cross-spring pivots loaded by a pure couple, an analytical model of the behaviour of spring-strips in the field of large (geometrically nonlinear) deflections based on the Elastica method, as well as a numerical model based on the finite elements method, are hence developed in the thesis. In order to assess the applicability of the developed numerical model in predicting the stress-strain behaviour of the considered mechanisms, results obtained numerically are compared with experimental data available in literature. With the goal of determining the limits of applicability of the approximated calculation methods depending on the needed accuracy, the results of the analytical calculations of the stress-strain behaviour of the cross-spring pivots are then compared with results obtained by using the finite element method. Numerical calculations are used next to optimise pivots’ design by assessing the influence of the angle and the position of the intersection as well as of the initial curvature of the spring-strips,. A design solution allowing the minimisation of the parasitic shifts, as well as the minimisation of variability of the rotational stiffness, even for large rotations of the pivot is thus obtained. At the end of the thesis, an analysis of the influence of external loads on the variability of rotational stiffness and on the entity of the parasitic shifts is also performed.
The results obtained in the doctoral thesis allow thus not only assessing the influence of the design parameters in the design of cross-spring pivots (i.e. the influence of these parameters on rotational stiffness and the accuracy of the considered mechanisms), but also creating the preconditions for the development of a new class of ultra-high precision rotational compliant mechanisms with potentially broad applications in industrial and design praxis.
Keywords
podatljivi mehanizam
lisnata opruga
nelinearni model
preciznost i točnost
parazitni pomaci
rotacijska krutost
optimizacija konstrukcijske konfiguracije
Keywords (english)
Compliant mechanism
Spring–strip
Nonlinear model
Accuracy and precision
Parasitic motions
Rotational stiffness
Optimisation of design configuration
Language croatian
URN:NBN urn:nbn:hr:188:458629
Study programme Title: Postgraduate university (doctoral) study Study programme type: university Study level: postgraduate Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
Catalog URL http://libraries.uniri.hr/cgi-bin/ucat/unilib.cgi?form=D1160604071
Type of resource Text
Extent 216 str; 30 cm
File origin Born digital
Access conditions Closed access
Terms of use
Created on 2017-01-19 19:11:54