Extending Timoshenko Beam Theory for Large Deflections in Compliant Mechanisms

Timoshenko梁理论 偏转(物理) 梁(结构) 边值问题 顺应机制 结构工程 经典力学 机械 物理 数学 有限元法 数学分析 工程类
作者
Ke Wu,Gang Zheng,Guimin Chen
出处
期刊:Journal of Mechanisms and Robotics [ASME International]
卷期号:15 (6) 被引量:7
标识
DOI:10.1115/1.4056501
摘要

Abstract Compliant mechanisms (CMs) have presented its inherently advantageous properties due to the fact that CMs utilize elastic deformation of the elementary flexible members to transfer motion, force, and energy. Previously, the classic Euler–Bernoulli beam theory is the most used theory in terms of modeling large beam deflections in CMs. However, it has some assumptions that may decrease the modeling accuracy, such as ignoring the shear strain and the axial strain of cross sections. In this article, to take into account the shear and axial strains, we adopt the Timoshenko beam theory along with some modifications to consider the axial elongation. To simplify the complexity of the proposed governing boundary value problem (BVP), we transform the BVP into an explicit formulation and use weighted residual methods to numerically approximate the solution. We first focus on the single-beam deflection of a straight beam and an initially curved beam (ICB) using Euler–Bernoulli beam theory, Timoshenko beam theory, and solid mechanics to analyze the contributions of the influences of shear and axial strains in beam deflections. Then, we prove the feasibility of the proposed modeling strategy via mechanism synthesis for a bi-stable mechanism and an ICB-based parallelogram mechanism. Finally, the deduction of the mathematical model and the numerical results are provided along with brief analysis on the mechanical performances of the studied CMs.
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