考虑静动力学性能的钢质壁面作业机器人小臂结构拓扑优化

钢质壁面作业机器人主要在垂直或倾斜的高空环境下进行清洁、探伤、焊接、除锈等作业，具有较高的轻量化和稳定性要求。机器人机械手小臂是连接大臂和执行末端的重要部件，具有外形尺寸大、板材厚度小和质量占比高的特点，整体受力大且长期处于振动状态，对结构的强度、刚度和振动等结构特性有较高要求。为对钢质壁面作业机器人机械手的小臂结构进行减重及提升结构特性，基于变密度法的优化算法，利用ANSYS Workbench有限元软件实现小臂结构的拓扑优化，进行轻量化设计。分析不同优化方案，得到同时考虑结构静、动力学性能的双目标能有效优化小臂结构。小臂结构优化设计后的质量下降了6.84%，等效应力降低了40.70%，总变形缩小14.43%,1阶固定频率增幅1.73%，达到轻量化降重效果，结构特性同时得以明显改善。研究结果有助于避免结构设计的盲目性，为下一步机器人整体结构的设计与优化提供思路，可为同类产品结构设计提供参考。     

SCARA机器人大臂结构模态分析与拓扑优化

选择顺应性装配机器手臂(SCARA)在水平面内运动速度快、重复定位精度高。为优化SCARA机器人大臂机械结构性能,减轻大臂重量,采用了模态分析与拓扑优化相结合的方法。首先建立SCARA机器人大臂三维模型,导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中作静力学分析和模态分析,得到前6阶固有频率和振型结果;然后,利用拓扑优化方法为大臂去除材料的优化方向提出建议,重新设计大臂的优化结构并计算优化结构的模态参数;最后,对比优化前后模态参数结果,证明优化后的结构在减轻大臂重量的同时提高了大臂的机械性能。     

基于柔体动力学分析的平面并联机器人结构优化设计

针对高速高精度机器人的结构柔性问题，提出了一种基于柔体动力学分析的结构参数优化设计方法，并对一种含平行四边形结构的平面并联机器人进行了结构参数优化。采用离散梁模型来仿真机器人的柔性，轴套模型来仿真机器人关节的柔性，建立了参数化的柔体动力学模型。利用动力学仿真软件ADAMS对机器人的动态响应、驱动力矩和固有频率进行了计算，据此对机器人的结构参数进行了优化。最后通过固有频率测试和动态响应实验结果验证了优化设计的有效性和准确性。     

基于有限元法的电主轴轴承跨距优化设计

以铣削加工中心电主轴为研究对象,利用有限元法对轴承-转子系统进行了参数化建模。以提高主轴的静刚度和一阶固有频率为目标,在保证主轴径向圆跳动的前提下,对支撑主轴的跨距进行了优化设计。以优化设计后的最优支撑跨距对主轴进行了模态分析,利用模态分析后的主轴一阶固有频率对优化设计的结果进行了校核。结果表明,对支撑主轴的轴承跨距进行优化设计后,主轴一阶固有频率和静刚度都有一定程度上的提高。.     

换轨机器人共融悬臂算子分裂输运原理

为优化共融悬臂柔顺特性,提升换轨精度,以自动换轨装备悬臂算子多体系统为对象,针对换轨机器人龙口悬臂在无载荷、吊轨及施工过程中的末端振动现象,建立在不同模态频率、静力荷载和剪切效应作用下的混阶时空输运模型;引入Bezier插值离散方法,求解机器人共融悬臂混阶时空算子分裂输运变化,得到悬臂末端空间尺度上载荷冲击、惯性偏移与时间尺度上温变梯度、轴向变形等因变参数对悬臂振动特性的影响规律,为共融悬臂的优化设计提供指导。实验结果表明,混阶时空载荷、制动约束与模态频率、惯性偏移呈正比关系,且理论数值分析、仿真模型结果与实验标定数据具有一致性与互证性。     

机器人手臂的刚柔耦合建模及摆动模态对比

以机器人柔性手臂为对象,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法将物理坐标变换成模态坐标,对动力学方程进行解耦。参考人体参数,利用ADAMS建立了虚拟样机模型,设计了形函数矩阵。在MATLAB中编写了方程求解算法。对比了ADAMS和MATLAB对柔性手臂转角的仿真。针对碳纤维、铝合金、聚乙烯和聚丙烯4种材质手臂仿真重力作用下的摆动运动,绘出了末端横向变形位移和频谱图;量化分析了变形量和模态。结果表明随着弹性模量与密度的比值增大,手臂固有频率增大,横向变形位移减小;碳纤维材质可近似建模为刚体;碳纤维和铝合金适合做手臂机构;聚丙烯材质刚度和柔顺性较好。     

基于交互式决策算法的桁架式门机结构系统动态优化设计

提出了一种基于交互式决策算法的桁架式门机结构系统动态优化设计方法。通过模态分析及谐响应分析确定影响结构动态性能的关键模态固有频率。将结构总质量、杆件静强度、结构静刚度以及关键固有频率作为目标,对结构设计参数进行灵敏度分析,筛选出对桁架门机结构性能影响较大的设计参数。以结构总质量为最终优化目标,同时以固有频率、结构静强度、静刚度、满意度等作为约束条件。利用交互式决策算法结合有限元分析软件对桁架式门机结构进行优化计算,实现了决策者与系统模型之间信息的反复交换,使优化结果不断向决策者要求靠近。通过此种动态优化方法,不仅使结构质量减少10.9%,还提升了5.98%的结构动态性能,节约了制造成本。     

一种三自由度支链嵌套并联机器人末端残余振动的主动抑制

针对三自由度支链嵌套可连续回转并联机器人末端残余振动问题,提出了基于经典正脉冲输入整形和最优S形轨迹曲线相结合的主动控制方法。首先采用拉格朗日法对刚性杆柔性部件组成的支链嵌套并联机器人进行刚柔耦合动力学建模,并通过动态特性分析确定对末端残余振动影响较大的低阶模态。结合实验分析和仿真获得共振频率和阻尼比,并根据线性化二阶欠阻尼系统在脉冲序列作用下的残余衰减振动模型,采用前反馈正脉冲输入整形与最优S形轨迹曲线相结合来改变驱动器的输入信号,从而达到对支链嵌套并联机器人末端残余振动的主动抑制。最后通过实验和数值分析对该方法进行了验证。实验结果表明,应用该方法后此种支链嵌套并联机器人末端残余振动的衰减时间缩短了14%,最大振幅降低了22%,有效提高了并联机器人在高速高精度硅片搬运过程中的定位精度和轨迹精度。     

一种新型破碎机振动分析与优化

新型破碎机是由薄板等型材焊接而成的柔性结构,在动力激励下引发其薄壁件的振动,辐射噪声。为研究其在正常工况下的动态性能,运用有限元模态分析法对主要构件进行分析,得到其前几阶固有频率,找到了振动过大的原因。为了提高机械破碎的效率,以结构件筛理表面积为目标函数,以板材的厚、构件宽、构件长为设计变量,以第1阶固有频率为约束变量,进行结构参数优化设计,并以得到的面积值为约束,以第1阶固有频率最大为目标函数继续优化,得到破碎机主要参数的最佳值。经分析优化前后的振动烈度,表明优化后的效果较好。     

基于多目标的刨切机床身结构优化设计

以某数控刨切机床身为研究对象,提出一种基于灵敏度分析与结构优化设计相结合,以床身质量、最大静变形和一阶固有频率为优化目标的床身优化设计方法。建立床身有限元模型,对其进行动静态特性分析,通过对床身主要设计参数进行拉丁超立方试验设计,在此基础上,对各设计参数进行灵敏度分析并建立响应面模型,确定影响床身质量和床身动静态特性的关键参数,运用多目标优化算法对床身进行优化求解,根据优化结果,得到最佳优化方案。结果表明:床身质量减少 5.82% ,最大静变形减小 6.71% ,一阶固有频率提高 6.11% ,该优化方法在提高床身动静态特性的基础上,减轻了床身质量,为床身优化设计提供理论参考。     

用遗传算法提高协同优化方法的可靠性

分析了协同优化方法可靠性不好的根源。提出了用遗传算法来替代系统级优化问题中的基于梯度的优化算法的策略。实例表明所提出的策略是可行有效的。     

蚁群优化算法研究综述

介绍了蚁群优化算法的基本原理、流程和研究现状,重点评述了近年来蚁群优化算法在组合优化和连续优化两个领域的研究现状,并展望了这一领域的研究方向。     

多工况悬架下摆臂结构优化设计方法研究

采用了多种优化设计方法,以某悬架结构为例进行了结构优化设计方法研究.通过对车辆行驶工况和对车体空间布置的分析,建立了拓扑优化可设计域和非可设计域,完成了悬架结构的拓扑优化设计,并建立了工程结构.基于强度分布与应力干涉理论,将可靠性理论和优化方法相结合,进行了可靠性优化设计.其优化结果与尺寸优化和形状优化结果进行了对比,证明了优化设计方法的有效性和可行性,为工程结构提供了一种新设计思路.     

利用双向渐进结构优化法对结构固有振型的优化

利用双向渐进结构优化法研究结构的固有振型优化问题，双向渐进结构优化法(bi—directional evolutionary struetural optimization，简称BESO)是一种拓扑优化方法，它基于这样一个简单的优化程序：从结构中一步步地删去对结构目标性能低效或无效的材料，同时增加对结构目标性能高效的材料，从而使材料布局趋于优化。文中分别采用近似重分析思路的方法和基于变分法推导的公式计算单元特征向量灵敏度，并简单阐述BESO法对结构固有振型(特征向量)进行拓扑优化的一般过程。数值算例表明，用该方法对结构固有振型的优化是行之有效的，且用变分法计算特征向量灵敏度进行优化较之近似重分析法效率更高。     

双向渐进结构拓扑优化设计研究

双向渐进结构优化法（BESO）是近年来兴起的一种懈决各类结构优化问题的数值方法。其原理是通过同时删除和增补单元,使剩下的结构逐渐趋于优化。文章提出了基于应力约束的渐进结构优化方法,与其它优化方法相比,该方法原理简单,计算效率高,工程应用方便,并通过算例证明该方法的有效性和可行性。     

机械系统可靠性优化设计的实现策略

提出机械系统可靠性优化设计的３种实现策略：一是直接求解系统可行性优化设计整体数学规划模型的耦合优化策略;二是将单元可靠性优化设计模型和系统可靠性优化分配模型联立迭代求解的分解协调经策略;三是将单元可靠性优化分配模型分别独立求解的分散优化策略。前者适用于规模不大的机械系统的可靠性优化设计,后二者适用于规模较大的机械系统的可靠性优化设计。     

DISCRETE OPTIMIZATION APPROACH FOR 3-D SPACE PLATE-SYSTEM STRUCTURE

ＤＩＳＣＲＥＴＥＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮＡＰＰＲＯＡＣＨＦＯＲ３－ＤＳＰＡＣＥＰＬＡＴＥ－ＳＹＳＴＥＭＳＴＲＵＣＴＵＲＥ￥ＮｉｅＳｈａｏｍｉｎ；ＪｉｎＭｉａｏ（ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍ...     

最优控制理论的现状与发展

概述了控制中的最优化方法，阐述了基本优化方法的特点以及优化方法的最新研究领域和发展趋势。     

基于应力的双向渐进结构拓扑优化设计

双向渐进结构优化法（BESO）是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法,其原理是通过同时删除和增补单元,使剩下的结构逐渐趋于优化。提出了基于应力约束的渐进结构优化方法,与其它优化方法相比,该方法原理简单,计算效率高,工程应用方便,并通过算例证明该方法的有效性和可行性。     

基于过滤器技术的约束粒子群优化算法

工程设计中处理约束优化常采用罚函数法,但其优化结果敏感于惩罚因子,针对特定的实际问题往往需要多次试验以得到合适的罚因子取值。为了避免反复的参数选取测试过程,将过滤器约束处理机制和粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)相结合用于求解约束优化问题。过滤器方法基于多目标规划中的支配思想,以一组互不支配点所对应的目标值与违背度对构成过滤器,利用其处理约束可以避免使用罚函数。基于过滤器的约束PSO算法在粒子进化过程中,对各粒子历史最优解和粒子群历史最优解分别构造滤器,并依据可行性优先的粒子比较准则从对应的过滤器中选择最优解从而实现粒子的更新。然后,利用工程优化设计标准算例和翼型优化设计实例,将过滤器PSO算法和罚函数PSO算法、遗传算法进行比较研究,结果表明过滤器PSO算法能够获得较好的约束优化设计结果,是求解约束优化问题的一种有效方法。