柔性铰链机构柔节疲劳寿命的设计及研究

　　0 引 言

　　产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。随着市场竞争的日趋激烈，产品的寿命对用户来说显得愈来愈重要。与传统的静强度设计相比，疲劳寿命设计需要了解产品的使用环境，应用现代疲劳理论，并结合试验验证，以确保所需要的设计寿命。

　　目前，在产品设计中已大量使用计算机仿真技术，其中的有限元仿真技术已经成为一种不可缺少的分析工具。与根据有限元获得的应力应变结果进行进一 步的疲劳寿命设计试验的传统方法相比，有限元疲劳仿真计算能够提供零部件表面的疲劳寿命分布，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，通过修改设计 可以预先避免不合理的寿命分布。因此，它能够减少试验样机的数量，缩短产品的开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力。疲劳破坏是工程结构和机械失效 的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。因此开展疲劳研究有着重要的意义。

　　高周疲劳[1]是各种机械中最常见的，故简称疲劳，通常所说的疲劳一般是指高周疲劳。疲劳寿命是疲劳失效时所经历的应力或应变的循环次数，一般 用 N 表示。试样的疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。一般说来，材料的强度极限愈高，外加的应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长; 反之，疲劳寿命就愈短。表示这种外加应力水平与标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料 S-N曲线。高周疲劳时，材料所受的交变应力远低于材料的屈服极限，甚至只有屈服极限的三分之一左右，断裂前的循环次数 Nf 大于 1 × 105～ 1 × 107次，材料处于弹性范围，因此其应力与应变是成正比的。

　　本文以一柔性高精度红外傅里叶变换光谱仪[2]的动镜支撑机构———柔性铰链机构[3—4]( 反射镜运行范围为 ± 12mm，其耦合位移量为 ± 3μm) 为基体，仿真计算机构薄弱环节———柔节的寿命情况，进而掌握整个机构的使用寿命。目前国内外在此方面的研究中，均是靠实物试验法来考察柔节的使用寿命 的，这样会耗费大量的人力和物力。因此本文所研究的就是在实物试验法之前，就利用疲劳软件来对其进行仿真疲劳计算，确定实物的相关参数值。

　　对于柔节的疲劳寿命而言，此类软件仿真法目前在国内外未见报道。

　　1 柔性动镜支撑机构

　　1. 1 机构模型描述

　　柔性铰链机构[5，6]是一种依靠其本身的弹性特性和局部的特殊结构来达到一定的运动目的的机构。因此机构本身的材料均采用弹性较大的铍青铜( QBe2) ，材料属性见表 1。