Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant mechanisms

Nghiên cứu tiến sĩ về thiết kế và phân tích hệ thống tuân thủ đa ổn định. Khám phá cơ chế hoạt động, đặc tính và ứng dụng kỹ thuật sáng tạo.

Trường ĐH

National Chung Hsing University

Chuyên ngành

Kỹ thuật chính xác (Precision Engineering)

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

130

Thời gian đọc

20 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
Cơ cấu đàn hồi đa ổn định: Thiết kế và Ứng dụng đột phá
Số trang:
130 trang
Trường:
National Chung Hsing University
Chuyên ngành:
Kỹ thuật chính xác (Precision Engineering)
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I.Cơ cấu đàn hồi đa ổn định Thiết kế và Ứng dụng đột phá

Luận án tập trung vào thiết kế cơ cấu biến dạng có khả năng đa ổn định. Các cơ cấu này cung cấp nhiều vị trí cân bằng ổn định trong phạm vi hoạt động. Mục tiêu chính là tạo ra các hệ thống vừa tiết kiệm năng lượng vừa linh hoạt về động học. Đây thường là hai mục tiêu mâu thuẫn. Cơ cấu đàn hồi đa ổn định đang thu hút sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây. Nghiên cứu này phát triển hai loại cơ cấu đàn hồi đa ổn định mới. Một là cơ cấu quadristable đàn hồi, có bốn trạng thái ổn định. Hai là cơ cấu hai trạng thái ổn định (bistable mechanisms) với lực không đổi. Các cơ cấu này không sử dụng khớp nối chuyển động. Chúng đạt được khả năng di chuyển thông qua sự biến dạng của các thành phần linh hoạt, thường là khớp bản lề mềm (flexure hinges). Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật chính xác và các hệ thống thu nhỏ. Việc hiểu rõ và phát triển các cơ cấu này mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng mới.

1.1. Giới thiệu về cơ cấu đàn hồi đa ổn định

Cơ cấu đàn hồi đa ổn định là thành phần quan trọng trong các hệ thống hiện đại. Chúng mang lại hiệu quả năng lượng cao và tính linh hoạt động học. Đặc điểm nổi bật là khả năng tồn tại ở nhiều vị trí cân bằng ổn định. Điều này cho phép hệ thống duy trì trạng thái mà không cần nguồn năng lượng liên tục. Cơ cấu đàn hồi đa ổn định được thiết kế để không có khớp chuyển động truyền thống. Thay vào đó, chúng khai thác sự biến dạng của vật liệu. Cụ thể, các thành phần linh hoạt như khớp bản lề mềm (flexure hinges) tạo ra chuyển động. Phương pháp này giúp loại bỏ ma sát, tiếng ồn và nhu cầu bôi trơn. Các yếu tố này thường xuất hiện trong các cơ cấu truyền thống. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng kỹ thuật chính xác đòi hỏi độ tin cậy và tuổi thọ cao. Luận án này đóng góp vào sự phát triển của lĩnh vực này bằng cách giới thiệu các thiết kế mới và phương pháp phân tích toàn diện.

1.2. Lợi ích vượt trội của thiết kế cơ cấu biến dạng

Ưu điểm chính của thiết kế cơ cấu biến dạng nằm ở khả năng thu nhỏ. Các cơ cấu này dễ dàng được chế tạo ở quy mô milimet. Điều này mang lại lợi thế đáng kể trong việc sản xuất các thiết bị vi mô. Chúng bao gồm bộ truyền động vi mô, cảm biến vi mô và hệ thống cơ điện tử vi mô (MEMS). Việc không có các khớp nối rời rạc giúp giảm số lượng bộ phận. Điều này đơn giản hóa quá trình lắp ráp và tăng độ tin cậy của hệ thống. Đồng thời, sự tích hợp các chức năng di chuyển vào cấu trúc vật liệu duy nhất giúp tối ưu hóa không gian. Luận án trình bày các ví dụ thiết kế cụ thể. Những ví dụ này chứng minh tính hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa. Phương pháp này được đề xuất cho thiết kế cơ cấu biến dạng đa ổn định. Khả năng tích hợp cao và hiệu suất đáng tin cậy là những yếu tố then chốt, thúc đẩy sự đổi mới trong kỹ thuật chính xác và các lĩnh vực liên quan.

II.Thiết kế cơ cấu biến dạng Đột phá đa trạng thái ổn định

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các thiết kế mới trong lĩnh vực cơ cấu đàn hồi đa ổn định. Hai cơ cấu cụ thể đã được phát triển. Đó là một cơ cấu quadristable đàn hồi và một cơ cấu hai trạng thái ổn định (bistable mechanisms) với lực không đổi. Các thiết kế này thể hiện khả năng vượt trội trong việc tạo ra nhiều trạng thái ổn định. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng của thiết kế cơ cấu biến dạng. Việc phát triển các cơ cấu này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cơ học vật liệu phi tuyến và hành vi của vật liệu dưới tải trọng. Các nguyên mẫu của những cơ cấu này đã được chế tạo. Chúng làm từ polyoxymethylene (POM) ở quy mô milimet. Sau đó, các nguyên mẫu được thử nghiệm để xác minh đặc tính của chúng. Các kết quả thực nghiệm đã xác nhận các đặc tính được dự đoán bởi lý thuyết. Điều này chứng minh tính chính xác của các mô hình phân tích phi tuyến và phương pháp thiết kế. Thành công trong việc tạo ra các cơ cấu mới này là một bước tiến quan trọng.

2.1. Phát triển cơ cấu hai trạng thái ổn định mới

Luận án giới thiệu một thiết kế cơ cấu hai trạng thái ổn định (bistable mechanisms) đặc biệt. Cơ cấu này có khả năng duy trì lực không đổi trong quá trình chuyển trạng thái. Tính năng lực không đổi rất quan trọng cho nhiều ứng dụng. Nó có thể được sử dụng trong các hệ thống kẹp chặt, thiết bị y tế hoặc cơ cấu chuyển đổi. Cơ cấu này được thiết kế để chuyển đổi giữa hai trạng thái ổn định một cách hiệu quả. Việc đạt được lực không đổi đòi hỏi sự điều chỉnh cẩn thận về hình dạng và kích thước của các thành phần đàn hồi. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) đã được sử dụng rộng rãi để mô tả hành vi của cơ cấu. Các mô hình cơ học vật liệu phi tuyến giúp dự đoán chính xác phản ứng của vật liệu. Việc chế tạo và thử nghiệm nguyên mẫu đã xác nhận hiệu suất của thiết kế. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho thiết kế cơ cấu biến dạng trong các ứng dụng cụ thể.

2.2. Khám phá cơ cấu đàn hồi bốn trạng thái ổn định

Bên cạnh cơ cấu hai trạng thái ổn định, nghiên cứu còn phát triển một cơ cấu quadristable đàn hồi. Cơ cấu này có khả năng duy trì bốn vị trí cân bằng ổn định. Đây là một bước tiến đáng kể so với các cơ cấu bistable truyền thống. Khả năng đa trạng thái này mang lại sự linh hoạt động học cao hơn. Nó cho phép các hệ thống thực hiện nhiều chức năng hơn với cùng một cấu trúc. Thiết kế cơ cấu biến dạng quadristable đòi hỏi sự phức tạp cao hơn trong việc định hình các khớp bản lề mềm (flexure hinges). Mỗi trạng thái ổn định tương ứng với một cấu hình biến dạng cụ thể của cơ cấu. Phân tích phi tuyến là công cụ không thể thiếu để dự đoán các điểm mất ổn định và đường cong lực-chuyển vị. Các thử nghiệm trên nguyên mẫu POM đã chứng minh khả năng hoạt động của cơ cấu. Điều này xác nhận các dự đoán lý thuyết. Cơ cấu này có tiềm năng ứng dụng trong các bộ truyền động phức tạp và hệ thống điều khiển đa trạng thái trong kỹ thuật chính xác.

III.Phân tích phi tuyến Đánh giá hiệu quả cơ cấu đàn hồi

Để đặc trưng hóa hành vi của các cơ cấu đàn hồi đa ổn định, luận án đã áp dụng phân tích phi tuyến chuyên sâu. Các phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để mô phỏng hành vi của các cơ cấu dưới tải trọng tĩnh. Điều này giúp hiểu rõ cách các cơ cấu biến dạng và chuyển đổi trạng thái. Cơ học vật liệu phi tuyến là yếu tố then chốt trong các phân tích này. Nó cho phép tính toán chính xác sự biến dạng lớn và hành vi phi tuyến của vật liệu. Dữ liệu từ FEA cung cấp cái nhìn sâu sắc về đường cong lực-chuyển vị và năng lượng tiềm năng của cơ cấu. Thông tin này rất quan trọng cho quá trình thiết kế cơ cấu biến dạng. Nó giúp đảm bảo các cơ cấu hoạt động như mong muốn. Các mô hình này cũng hỗ trợ dự đoán các hiện tượng như mất ổn định uốn dọc (buckling instability). Việc kiểm soát các hiện tượng này là cần thiết để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của cơ cấu trong kỹ thuật chính xác.

3.1. Ứng dụng phân tích phần tử hữu hạn FEA toàn diện

Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) đóng vai trò trung tâm trong nghiên cứu này. Nó được sử dụng để mô tả chi tiết hành vi của cả cơ cấu quadristable và cơ cấu hai trạng thái ổn định (bistable mechanisms). Các mô hình FEA cho phép đánh giá ứng suất, biến dạng và đường cong lực-chuyển vị. Điều này được thực hiện dưới các điều kiện tải trọng tĩnh khác nhau. Do tính chất biến dạng lớn của các cơ cấu đàn hồi đa ổn định, phân tích phi tuyến là bắt buộc. Phân tích này tính đến sự thay đổi hình học và phi tuyến tính vật liệu. Việc sử dụng FEA giúp tối ưu hóa hình dạng và kích thước của các khớp bản lề mềm (flexure hinges). Nó cũng giúp dự đoán chính xác các vị trí cân bằng ổn định và điểm mất ổn định. Độ chính xác của các mô hình FEA đã được xác nhận thông qua so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Điều này đảm bảo tính tin cậy của phương pháp thiết kế và phân tích. Kết quả FEA là nền tảng cho việc tối ưu hóa thiết kế cơ cấu.

3.2. Xác nhận lý thuyết qua thử nghiệm thực tế

Để đảm bảo tính chính xác của các phương pháp thiết kế và phân tích, các nguyên mẫu đã được chế tạo và thử nghiệm. Các nguyên mẫu làm từ polyoxymethylene (POM) ở quy mô milimet. Điều này cho phép đánh giá hiệu suất của cơ cấu trong điều kiện thực tế. Các thử nghiệm được thiết lập cẩn thận để thu thập dữ liệu về đường cong lực-chuyển vị. Chúng cũng thu thập dữ liệu về hành vi chuyển đổi trạng thái. Kết quả thực nghiệm đã xác minh mạnh mẽ các đặc tính được dự đoán bởi lý thuyết. Sự phù hợp giữa dự đoán lý thuyết và kết quả thực nghiệm củng cố độ tin cậy của mô hình phân tích phi tuyến và phương pháp tối ưu hóa thiết kế cơ cấu. Quá trình xác minh này rất quan trọng trong kỹ thuật chính xác. Nó đảm bảo các cơ cấu được thiết kế sẽ hoạt động như mong đợi khi được triển khai trong các ứng dụng thực tế. Đây là bước cuối cùng và quan trọng nhất trong chu trình phát triển sản phẩm.

IV.Tối ưu hóa thiết kế cơ cấu Từ lý thuyết đến thực tiễn

Luận án đề xuất một công thức thiết kế để tổng hợp hình dạng và kích thước của các cơ cấu đàn hồi đa ổn định. Công thức này là một phần quan trọng của quá trình tối ưu hóa thiết kế cơ cấu. Nó cho phép các kỹ sư tạo ra các cơ cấu đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cụ thể. Phương pháp tối ưu hóa này không chỉ tập trung vào việc đạt được các trạng thái ổn định. Nó còn chú trọng đến việc tối ưu hóa các đặc tính khác như lực chuyển đổi và độ cứng. Việc áp dụng công thức này vào các ví dụ thiết kế cụ thể đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp. Các ví dụ này bao gồm cả cơ cấu quadristable và cơ cấu hai trạng thái ổn định (bistable mechanisms). Phương pháp này kết hợp các nguyên tắc của cơ học vật liệu phi tuyếnphân tích phần tử hữu hạn (FEA). Mục tiêu là tạo ra các giải pháp thiết kế tối ưu, có thể sản xuất được. Khả năng thiết kế có hệ thống là yếu tố then chốt để đẩy nhanh sự phát triển của các hệ thống kỹ thuật chính xác.

4.1. Xây dựng công thức tổng hợp cho thiết kế cơ cấu

Một công thức thiết kế mới đã được đề xuất để tổng hợp hình dạng và kích thước của các cơ cấu đàn hồi đa ổn định. Công thức này là một phương pháp có hệ thống để chuyển đổi các yêu cầu chức năng thành các thông số hình học cụ thể. Nó tích hợp các nguyên tắc của thiết kế cơ cấu biến dạngphân tích phi tuyến. Công thức này cho phép kỹ sư khám phá không gian thiết kế một cách hiệu quả. Nó tìm kiếm các giải pháp tối ưu đáp ứng các tiêu chí như số lượng trạng thái ổn định, lực tác động và độ bền. Mục tiêu chính là giảm thiểu sự phụ thuộc vào các phương pháp thử và sai. Nó cung cấp một lộ trình rõ ràng để phát triển các cơ cấu phức tạp. Việc áp dụng công thức này giúp đảm bảo rằng các thiết kế được tối ưu hóa về hiệu suất. Đồng thời, chúng cũng tính đến các yếu tố sản xuất và vật liệu. Đây là một đóng góp quan trọng cho lĩnh vực tối ưu hóa thiết kế cơ cấu.

4.2. Hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa thiết kế

Các ví dụ thiết kế được trình bày trong luận án minh họa rõ ràng tính hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa thiết kế cơ cấu. Bằng cách áp dụng công thức tổng hợp, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra các cơ cấu hoạt động chính xác theo yêu cầu. Phương pháp này cho phép không chỉ thiết kế các cơ cấu có nhiều trạng thái ổn định, mà còn tinh chỉnh các đặc tính hiệu suất. Điều này bao gồm khả năng chống lại mất ổn định uốn dọc (buckling instability). Các kết quả này chứng minh rằng một cách tiếp cận có hệ thống có thể dẫn đến các thiết kế đột phá. Phương pháp tối ưu hóa này vượt qua giới hạn của các phương pháp thiết kế truyền thống. Nó mang lại hiệu quả cao trong việc tạo ra các cơ cấu đàn hồi đa ổn định cho các ứng dụng kỹ thuật chính xác. Thành công này mở đường cho việc áp dụng rộng rãi các cơ cấu này trong công nghiệp.

V.Cơ cấu đa ổn định Ứng dụng tương lai trong kỹ thuật chính xác

Các cơ cấu đàn hồi đa ổn định được phát triển trong luận án có tiềm năng ứng dụng to lớn. Đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật chính xác và các hệ thống vi mô. Do chúng không có khớp nối chuyển động, chúng dễ dàng thu nhỏ. Điều này mang lại lợi thế đáng kể trong việc chế tạo các bộ truyền động vi mô, cảm biến vi mô và hệ thống cơ điện tử vi mô (MEMS). Khả năng duy trì nhiều trạng thái ổn định mà không cần năng lượng liên tục là một ưu điểm lớn. Nó cho phép các thiết bị tiết kiệm điện và hoạt động hiệu quả hơn. Nghiên cứu cũng mở ra hướng đi cho việc khám phá cơ học vật liệu phi tuyến ở quy mô nhỏ. Việc hiểu rõ hơn về hành vi của vật liệu dưới biến dạng lớn là cần thiết. Điều này giúp phát triển các cơ cấu tương lai có hiệu suất cao hơn. Các thiết kế này có thể đóng góp vào sự phát triển của công nghệ y sinh, hàng không vũ trụ và robot thế hệ mới.

5.1. Tiềm năng thu nhỏ và tích hợp hệ thống vi mô

Một trong những ưu điểm nổi bật của thiết kế cơ cấu biến dạng là khả năng thu nhỏ dễ dàng. Các cơ cấu này có thể được sản xuất ở quy mô milimet. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc tích hợp vào các hệ thống vi mô phức tạp. Ứng dụng tiềm năng bao gồm bộ truyền động cho robot vi phẫu thuật, cảm biến áp suất siêu nhỏ và các công tắc MEMS. Việc không có các bộ phận lắp ráp riêng lẻ giúp giảm kích thước tổng thể. Nó cũng tăng cường độ tin cậy của thiết bị. Khả năng cung cấp nhiều trạng thái ổn định giúp các thiết bị vi mô thực hiện các chức năng phức tạp hơn. Chúng có thể chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động khác nhau. Sự phát triển này rất quan trọng đối với kỹ thuật chính xác. Nó cho phép tạo ra các thiết bị nhỏ hơn, thông minh hơn và hiệu quả hơn. Các khớp bản lề mềm (flexure hinges) là yếu tố then chốt cho sự thành công của việc thu nhỏ này.

5.2. Hạn chế uốn dọc và ổn định cơ học vật liệu

Trong thiết kế cơ cấu biến dạng, việc kiểm soát mất ổn định uốn dọc (buckling instability) là một thách thức quan trọng. Các thành phần linh hoạt dễ bị uốn dọc khi chịu tải trọng nén. Việc đảm bảo cơ cấu hoạt động ổn định và có thể dự đoán được đòi hỏi sự phân tích sâu sắc về cơ học vật liệu phi tuyến. Phân tích phi tuyếnphân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để dự đoán và quản lý hiện tượng uốn dọc. Mục tiêu là thiết kế các cơ cấu có khả năng chống lại sự mất ổn định không mong muốn. Điều này đảm bảo chúng duy trì tính toàn vẹn chức năng. Sự hiểu biết về hành vi vật liệu ở các chế độ biến dạng lớn là rất cần thiết. Nó giúp tối ưu hóa hình dạng và phân bố vật liệu. Điều này đảm bảo hiệu suất và độ bền lâu dài của các cơ cấu đàn hồi đa ổn định trong các ứng dụng kỹ thuật chính xác. Nghiên cứu này góp phần vào việc phát triển các phương pháp để khắc phục những thách thức này.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant mechanisms

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (130 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

國立中興大學精密工程研究所 (National Chung Hsing University, Institute of Precision Engineering) 博士學位論文 (Ph. Dissertation) 多穩態撓性機構之設計與分析 Design and Analysis of Multistable Compliant Mechanisms 指導教授:王東安 Dung-An Wang 研究生:范輝遵 Huy-Tuan Pham 中華民國一百年七月 Design and Analysis of Multistable Compliant Mechanisms Huy-Tuan Pham Graduate Institute of Precision Engineering Doctor of Philosophy (ABSTRACT) Multistable mechanisms, which provide multi stable equilibrium positions within its operation range, can be adopted to design systems with power efficiency and kinematic versatility, oftentimes two conflicting goals. Multistable compliant mechanisms have attracted more and more attention in recent years. Two new specified multistable compliant mechanisms are developed in this dissertation: a compliant quadristable mechanism and a constant-force bistable mechanism.

Finite element analyses are used to characterize the behavior of these multistable mechanisms under static loading. A design formulation is proposed to synthesize the shape and size of these specified compliant mechanisms. Millimeter scale polyoxymethylene prototypes of them are fabricated and tested. The characteristics of these mechanisms predicted by theory are verified by experiments.

The design examples presented in this investigation demonstrates the effectiveness of the optimization approach for the design of the multistable compliant mechanism. The proposed mechanisms have no movable joint and gain their mobility from the deflection of flexible members. These compliant mechanisms have the ease of miniaturization and offer a significant advantage in the fabrication of micro actuators, micro sensors and microelectromechanical systems. Keywords: bistable, quadristable, constant-force bistable, multistable mechanisms, vibration.

i ACKNOWLEDGEMENTS First and foremost, I would like to send my deep gratitude to two universities, Ho Chi Minh City Nong Lam University, Vietnam where I have been working and National Chung Hsing University, Taiwan for providing me this valuable scholarship for Ph. Many people deserve thanks for their contributions to this dissertation and my life. It is my pleasure to thank my Taiwanese labmates for their help and friendship to overcome my initial culture and language obstacles. I must thank Cheng-Hao Ciou, a master student at Micro/Nano Machining Laboratory in NCHU, who helped me with meticulous fabrication by using their CNC milling machine.

Helpful discussions with Professor Chao-Chieh Lan of National Cheng Kung University, Taiwan, ROC. are greatly appreciated Special thanks to Assoc. Dung-An Wang, a man I am honored to know as a teacher, an advisor, and a friend. He has also spent a considerable portion of his time giving guidance and helping me in countless ways.

I have learned much more than engineering from him. Finally, I am very grateful to my parents, my sister and my girlfriend for their love, for their support and encouragement of my academic pursuits, and for always expressing confidence in my abilities. This dissertation was supported by the National Science Council (NSC) ROC, under grant no. ii TABLE OF CONTENTS ABSTRACT.ii TABLE OF CONTENTS.iii LIST OF FIGURES .v LIST OF TABLES.ix CHAPTER 1 INTRODUCTION.4 Contant-force bistable mechanism .5 Actuation methods of multistable mechanisms.9 CHAPTER 2 DESIGN OF A BISTABLE MECHANISM .2 Fabrication and Testing .3 Results and Discussions.

23 CHAPTER 3 DESIGN OF A QUADRISTABLE COMPLIANT MECHANISM.2 Fabrication and Testing .3 Results and Discussions .58 CHAPTER 4 DESIGN OF A CONSTANT-FORCE BISTABLE MECHANISM.2 Fabrication and Testing .3 Results and Discussions .88 CHAPTER 5 CONCLUSIONS AND FUTURE WORK.103 Publications during Ph.115 iv LIST OF FIGURES Fig.1 (a) A schematic of a BM and a permanent magnet served to actuate the mechanism (b) Length l and the angle θ with respect to the y axis .2 Two stable equilibrium states of the mechanism.3 Four-step operation of the mechanism.4 A schematic of a BM .5 A typical f-d curve of a BM.6 A schematic of a quarter model .7 A mesh for the quarter model .8 F-d curve and potential energy curve based on the finite element model .9 Time responses of the mechanism. (a) Switching from FSP to SSP; (b) switching from SSP to FSP .11 An array of fabricated devices .12 An OM photo of a fabricated device .13 A schematic of the experimental setup .14 Experimental apparatus placed under a high-speed camera .15 Snapshots for forward motion.16 Snapshots for backward motion.1 A ‘ball-on-the-hill’ analogy for a QM, similar to a figure presented by Chen et al.3 A typical force versus displacement curve of the QM and the corresponding configurations at displacement a , displacement b , v displacement c , and displacement d , shown in the inlets.4 (a) A schematic of a quarter model. (b) Dimensions of the guide beam and the shuttle mass .5 Flowchart of the optimization procedure.6 A mesh for the finite element model .7 Distribution of the population of several generations in the optimization process .8 (a) f- δ curve and maximum stress versus displacement curve for forward motion; (b) strain energy curve for forward motion; (c) f- δ curve and maximum stress versus displacement curve for backward motion; (d) strain energy curve for backward motion .9 Photos of a fabricated QM .10 A photo of the experimental setup.11 Snapshots for forward motion (a-c) and backward motion (d-f) .12 f- δ curves of the fabricated QM for (a) forward, (b) backward motion.13 (a) Schematic of the inner bistable structure, BS1. (b) Schematic of the outer bistable structure, BS2.

(c) f- δ curves of BS1 and BS2 based on their individual finite element models .14 f- δ curve and maximum stress versus displacement curve of the microscale version of the QM for (a) forward motion; (b) backward motion.1 Schematic of a CFBM and its operational principle.3 (a) A schematic of a quarter model. (b) Dimensions of the guide vi beam and the shuttle mass .4 Flowchart of the optimization procedure.5 A mesh for the finite element model .6 (a) A f- δ curve and maximum stress versus displacement curve; (b) strain energy curve based on a finite element model of the optimized solution.7 (a) A photo of a fabricated CFBM. (b) A close-up view of the flexible hinge .8 A photo of the experimental setup.9 Snapshots for forward motion (a-c) and backward motion (d-f) .10 f- δ curves of the fabricated CFBM for (a) forward, (b) backward motion.99 vii LIST OF TABLES Table 2-1 Values of the coefficients of the nonlinear spring stiffness function .24 Table 2-2 Chemical composition and operation conditions for the low-stress nickel electroplating solution.24 Table 3-1 Lower and upper bounds on the design variables.60 Table 3-2 The values of the design variables of the optimum design.60 Table 3-3 The values of the design variables of the optimum design of the microscale QM.60 Table 4-1 Lower and upper bounds on the design variables.89 Table 4-2 The values of the design variables of the optimum design.89 viii NOMENCLATURE English symbols A planar area of the mechanism B magnetic field Bui control point of Bézier curve c damping coefficient d gap between the substrate and the mechanism D operational range E Young’s modulus Fm electromagnetic force on each beam F electromagnectic force exerted to the mechanism Ft + ∆t effective force Fi (i = 1.4) reaction force F(X i) objective space f force fc , fd , fe output forces of the CFBM h out-of-plane thickness hi (i = 1,2) apex height of the curved beams I, i current ix i0 amplitude of the applied AC current k , K (X ) nonlinear spring stiffness l length of the hinged beam L1 , L0 , Ls length of fexural segment, rigid segment and side beam L span of the curved beams m mass m effective mass N number of generations P position vector of a point on the Bézier curve Pui position vector of the control point Bui S specified ratio of the output force f d to f c t1 , t 0 , t s in-plane thickness of fexural segment, rigid segment and side beam t time T period U i (i = 1.4) strain energy w1 , w2 widths of the outer and inner curved beams x& velocity x displacement ( xr , y r ) position vector x Xi design space Greek symbols a amplitude of the response β phase of the response δ displacement µ dynamic viscosity µ1 damping coefficient ν kinematic viscosity νp Poisson’s ratio θ inclined angle of the beam ρ density σ detuning parameter ω1 , ω 2 , ω frequency Ω frequency of the external excitation Abbreviations ASTM American Society for Testing and Materials BM bistable mechanism BS bistable structure CFBM constant-force bistable mechanism xi CFM constant-force mechanisms FSP first stable position MEMS Micro Electro-Mechanical Systems OM optical microscope PDA personal digital assistant POM polyoxymethylene PRBM pseudo-rigid-body model QM quadristable mechanism SMA shape memory alloy SSP second stable position xii Chapter 1 INTRODUCTION 1.1 Motivation The desire of using compliant multistable mechanisms for energy saving in the field of MicroElectroMechanicalSystems (MEMS) has attracted widespread attention from many researchers and engineers. While the use of compliant mechanisms would help reduce cost due to part-count reduction, simplified manufacturing processes and increased performance by increasing precision, reducing wear (Howell 2002), multistable mechanisms further enrich their interestingness via maintaining stability without power consumption and with high repeatability.

Another advantage of compliant mechanisms is the ease of miniaturized posibilities. All these characteristics have favored the wide usage of compliant multistable mechanisms in simple microstructures, actuators, and sensors. From the last decade, many studies and researches have been committed on bistable and tristable compliant mechanisms. However, few mechanisms with four or more mechanically stable positions have been reported.

The key challenge in developing multistable mechanisms is the difficulty in their synthesizing and analyzing. 1 Geometry nonlinearities due to large deflections are commonly encountered in compliant multistable mechanisms. Modeling of force-deflection characteristics of compliant mechanisms can be performed by the pseudo-rigid-body model (PRBM) (Howell 2002). However, in order to accurately describe the behavior of compliant mechanisms using PRBM, where to place the added springs and what value to assign their spring constants are important.

Not only is it essential to synthesize new configurations of multistable mechanisms but also is it crucial to develop new activating methods. So far switching methods of multistable mechanisms can be classified into two main categories: static and dynamic method. The former method has been widely studied by many reseachers, while few publications are found on the later. An effort to develop a new quadristable compliant mechanism and a novel constant-force bistable mechanism with more versatile synthesis approach and a new method to switch a bistable mechanism has motivated the present dissertation.2 Contributions Firstly, a new method to switch a bistable mechanism (BM) by electromagnetic actuation is presented in this dissertation.

Vibration is utilized to drive the BM on a substrate between its stable positions. The feasibility of using vibration to achieve dynamical switching is confirmed by the derived analytical model and experiments as well. The presented switching method provides a simple and efficient means of activating a BM without on-substrate driving mechanisms such as electrostatic or electrothermal actuators. Secondly, a design approach using multiobjective genetic algorithm optimization to design compliant multistable mechanisms is proposed.

The effectiveness of the 2 methodology is verified by the design of the two new specified compliant multistable mechanisms. A new quadristable mechanism (QM) with a bistable structure embedded in a surrounding beam structure is developed. Three stable equilibrium positions are within the range of the forward motion of the mechanism, and the fourth stable equilibrium position can only be reached on the backward motion. The characteristics of the mechanism predicted by theory are verified by experiments.

This compliant mechanism has the ease of miniaturization and offers a significant advantage in the fabrication of micro actuators, micro sensors and microelectromechanical systems. Thirdly, a novel constant-force bistable mechanism (CFBM) allowing constant contact force and overload protection is developed. This mechanism allows constant contact force and overload protection. The feasibility of using the mechanism to achieve constant output force and bistability is confirmed by finite element analyses.

Using the CFBM, sophisticated sensors and control system for force regulation of machining systems can be eliminated.1 Compliant mechanism Compliant mechanisms are devices which achieve at least some or all of their functionality from deflection of flexible members.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Huy-Tuan Pham (2011). Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant [Luận án tiến sĩ, National Chung Hsing University]. LuanAn.net. https://luanan.net/tai-lieu-khac/luan-an-tien-si-design-and-analysis-of-multistable-compliant-mechanisms

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant" nghiên cứu về vấn đề gì?

Nghiên cứu tiến sĩ về thiết kế và phân tích hệ thống tuân thủ đa ổn định. Khám phá cơ chế hoạt động, đặc tính và ứng dụng kỹ thuật sáng tạo.

Luận án "Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại National Chung Hsing University. Năm bảo vệ: 2011.

Luận án "Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật chính xác (Precision Engineering). Danh mục: Tài liệu khác.

Luận án "Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant" có bao nhiêu trang?

Luận án "Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant" có 130 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ design and analysis of multistable compliant" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter