Generalized element-node complete model and its implementation for the optimal design of a piezo-actuated compliant amplifier

顺应机制 有限元法 铰链 执行机构 计算机科学 刚度 节点(物理) 放大器 控制理论(社会学) 平面的 机械工程 结构工程 工程类 计算机图形学(图像) 人工智能 控制(管理) 带宽(计算) 计算机网络
作者
Kaijie Wang,Peng Huang,Qiang Liu,Limin Zhu,Zhiwei Zhu
出处
期刊:Review of Scientific Instruments [American Institute of Physics]
卷期号:94 (8)
标识
DOI:10.1063/5.0157556
摘要

Compliant amplification mechanisms are widely applied to extend the stroke of stacked piezoelectric actuators. Accurate modeling of static and dynamic performances is crucial for the optimal design of complex compliant mechanisms. By generalizing the planar element-node model-based finite element method, this paper proposes a new modeling method capable of describing the spatial complete kinetostatics and dynamics for compliant mechanisms. On the basis of the widely reported complete compliance models for flexure hinges, a versatile stiffness model is established for the hinge with an arbitrary notch shape through the force equilibrium model. The generalized model is then demonstrated by applying for modeling and optimizing a compliant mechanism with dual-stage amplification. The verification through finite element simulations suggests that the maximum modeling error for the kinetostatic and first six resonant frequencies for the mechanisms with and without structural optimizations is less than 20%. Finally, the open-loop and closed-loop performance tests on the prototype with optimized parameters are conducted, demonstrating the effectiveness of the developed modeling and optimization methods.

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