آنالیز دینامیکی یک بازوی انعطاف پذیر کامپوزیتی سه بعدی با اتصالات چرخشی- منشوری

بازوهای مکانیکی صنعتی، سنگین ساخته می شوند تا دقت گیره آن بالا رود. این سنگینی سبب افزایش انرژی مصرفی و محدودیت سرعت بازوهای مکانیکی می گردد. بازوهای مکانیکی سبک وزن انرژی کمتری نیاز دارند و می توانند سریعتر حرکت کنند، اما بواسطه انعطاف پذیری، کنترل حرکت آنها خیلی مشکل است. مواد مرکب در مقایسه با مواد عادی نسبت سختی به جرم بیشتری دارند.

در این تحقیق یک حالت کلی از بازوی مکانیکی از لحاظ ماده، نوع اتصالات و حرکت آن در نظر گرفته شده است. این بازوی مکانیکی دارای سه بازو با اتصالات دورانی و کشویی می باشد، به نحوی که گیره آن در فضای سه بعدی حرکت کند. دو بازوی آن صلب و بازوی سوم که دارای حرکت کشویی می باشد، از ماده مرکب گرافیت- اپوکسی (graphite/epoxy) می باشد که از چهار لایه تشکیل شده است. این ماده مرکب ارتوتروپیک و از نوع cross-ply می باشد.دینامیک مستقیم (forward dynamics) بازوی مکانیکی مورد مطالعه قرار گرفته و هدف بررسی پارامترهای موثر بر روی دقت بازوی مکانیکی بوده است. به همین منظور با استفاده از روشهای المان محدود (finite element method) و لاگرانژ،معادلات دینامیکی حرکت بازوی مکانیکی بدست آورده شده است. معادلات دینامیکی بدست آمده شدیداً غیرخطی بوده و در برگیرنده حرکت صلب و الاستیک می باشند. با توجه به پیچیدگی معادلات فوق برای حل آن از روش عددی نیومارک (newmark) استفاده شده است.

ابتدا صحت معادلات بدست آمده با انجام تعدادی آزمایش عددی نشان داده شده است. برای بررسی پارامترهای اثرگذار بر روی عملکرد بازوی مکانیکی، نیروهای تعمیم یافته (generalized forces) اعمالی به بازوی مکانیکی تحت یک مسیر مشخص از دینامیک معکوس (inverse dynamics) بازوی مکانیکی مشابه منتها با بازوهای صلب، بدست آورده شده و به بازوی مکانیکی انعطاف پذیر اعمال شده است. در نهایت با انجام تستهایی بر روی این بازوی مکانیکی نتیجه گرفته می شود که با کاهش زاویه الیاف، کاهش طول بازوی انعطاف پذیر، افزایش سختی آن و کاهش بار حمل شده، می توان دقت حرکت گیره بازوی مکانیکی را افزایش داد.