基于田口和满意度函数法的柔性铰链多响应稳健优化设计

针对细胞注射3-RRR柔顺并联微动平台多响应优化设计中存在柔性部件"欠"变形或"过"变形而导致柔度不稳定的难题,将田口方法和满意度函数进行结合,提出了一种解决多响应稳健性优化的新方法。该方法首先通过建立微动平台多方向的铰链柔度运动模型,在此基础上进行响应曲面试验设计;然后引入田口方法对多响应进行稳定性分析;最后利用满意度函数将多响应稳定性问题转化为求综合满意度函数最大值的简化问题,得到满足约束条件的稳健性优化设计方案。实例表明该方法可以为柔性铰链多响应稳健优化设计提供一种新的解决途径。     

基于曲线柔性单元的新型大变形柔性铰链

曲线薄板柔性单元与传统的缺口式柔性单元相比,受载荷时在功能方向上更容易产生大变形.基于此,将曲线薄板柔性单元在平面空间中以一点为圆心,进行均匀阵列组合得到一种新型的环形柔性铰链--分布式叶片形转动柔性铰链.为了对新型柔性铰链进行性能分析,建立铰链的数学模型.鉴于铰链结构复杂,要得到精确模型十分困难,因此对模型进行简化,采用主运动单元伪刚体法建立新型柔性铰链数学模型,并分析新型柔性铰链受纯扭矩载荷时的变形情况.计算得到的结果与非线性有限元分析结果十分接近,证明了所建伪刚体模型的正确性.同时计算结果也表明分布式叶片形转动柔性铰链能够提供较大的转动行程,是一种新型的大变性转动柔性铰链.     

基于柔性铰链的微位移工作台性能分析与优化设计

柔性铰链的圆半径、最小铰链厚度、杠杆臂长等结构尺寸参数极大地影响着基于柔性铰链的微位移工作台的性能,针对于一种常用的以双柔性平行四连杆机构作导向的二维微位移工作台,分析并推导出了工作台结构参数对各性能的影响公式,并用有限元分析的方法验证了这些公式的正确性。之后建立了约束优化问题的数学模型,以具体实例介绍了用有限元分析的方法进行优化求解,得出最优设计参数的过程。     

基于微制造的多晶硅薄膜型柔性铰链

将宏机械柔性铰链设计思想应用到硅微机械机构设计中,采用表面硅牺牲层工艺制作了结构层厚度为2 μm 的多晶硅薄膜型微机械柔性铰链及在线测试机构,对微米尺度柔性铰链的微机械性能进行了理论和试验研究。以直圆型多晶硅薄膜柔性铰链为例,对其转动刚度采用现有宏机械柔性铰链理论的计算值为8 N·μm／rad,试验测试结果为120N·μm／rad。宏理论计算和微机械测试结果之间的偏差较大,这表明在微尺度效应的影响下,宏机械柔性铰链理论模型不能直接用于薄膜型硅微机械柔性铰链的计算。根据试验数据对宏机械柔性铰链计算公式进行了修正,得到了描述薄膜型硅微机械柔性铰链静态特性的近似经验公式,可满足薄膜型硅微机械柔性铰链的设计与计算。     

圆弧柔性铰链的优化设计

柔性铰链是高精度柔性机构的关键部件,其运动精度与运动范围影响着柔性机构的性能,本文对圆弧柔性铰链进行了柔度矩阵推导,并依据柔度方程进行优化设计。采用结构矩阵法建立了圆弧柔性铰链的柔度方程,对矩形截面的翘曲抗扭刚度进行推导,得到了约束扭转状态下的扭转柔度近似方程。为相对长度较小铰链的扭转刚度精确求解提供了依据。对比理论计算结果与有限元分析结果,结果显示扭转柔度的最大相对误差在10%左右,其余方向柔度相对误差低于6%,验证了柔度方程的准确性。采用正交试验直观分析法得到柔性铰链各设计参数对转动刚度的灵敏度,并利用多目标遗传算法对柔性铰链的转动柔度以及轴向刚度两个目标进行了参数优化。通过优化结果与设计经验选取参数的对比,发现优化后圆弧柔性铰链的弯曲柔度提升了5.12%,同时铰链的轴向刚度提升了4.72%,证明针对圆弧柔性铰链的优化设计具有明显效果。     

采用柔性铰链实现微位移的方法研究

在微位移技术中,柔性铰链是实现微粒移和高分辨率的的理想机构。本介绍了柔性绞链的简化设计方法,并利用柔性绞链工作原理设计了柔性框架式爬行驱动器作为微动工作台的驱动装置,使微动工作台获得了稳定的工作精度和高分辨率。     

基于有限元方法的柔性铰链式微夹持器优化设计

设计了一种以柔性铰链为转动副的微夹持器。微夹持器采用压电陶瓷驱动，具有结构简单、加工方便、夹持范围大等优点。在设计过程中，采用有限元方法，推导了柔性铰链的刚度矩阵与一致质量矩阵，优化了微夹持器的结构尺寸。为了验证算法的正确性，根据优化后的尺寸建立了几何模型，并利用ANSYS有限元分析软件对夹持器进行了静力学和动力学分析，分析结果与计算结果吻合较好，说明了算法的正确性。     

基于柔性铰链的二级放大微夹持器的研究

微夹持器是微装配系统的关键部件,设计了一种以柔性铰链为基础的二级位移放大机构的夹持器,该夹持器由压电陶瓷驱动。计算了夹持器的放大倍数和柔性铰链的节点应力,并对夹持器的最大张合量、放大倍数、夹持力和刚度进行有限元仿真分析。分析结果表明:夹持器的结构设计满足实际应用要求,对实现微小零件的自动装配有实际意义。     

基于交叉簧片柔性铰链的空间微位移机构

基于交叉簧片柔性铰链(简称‘交叉铰链’)设计了一种用于光束跟踪、精密指向和瞄准的同轴八铰微位移放大机构。该机构使用菱形构型,用交叉铰链作集中柔性元件,节点处交叉铰链两两同轴配合使用,以便保证运动的平稳输出。研究了机构的运动学以及力学性能,计算了微位移机构的行程放大比和灵敏度;根据交叉铰链的刚度模型,推导出微位移机构的理论刚度;最后,应用有限元软件对机构进行建模并对运动学、静力学以及动力学性能进行仿真。完成了样机的加工和测试,测试结果显示,机构放大比为1.905,理论与测试误差低于2.2%,结构刚度为18.21N/mm,误差低于0.32%,一阶频率为8.8Hz,误差低于5%。分析结果验证了本设计的可行性和有效性。该机构适用于空间高精度微位移领域。     

空间微振动模拟器柔性铰链设计

设计基于万向柔性铰链的Stewart平台作空间微振动模拟器,模拟空间振动辅助空间光学遥感器的隔振研究。Stewart平台要有效模拟空间微振动,铰链特性设计最为关键,要求其轴向刚度足够大而旋转刚度足够小。将万向柔性铰链建立杆件模型,由材料力学知识推导铰链各向刚度公式,利用Patran/Nastran建立有限元模型进行仿真验证,分析了结构参数对各向刚度的影响。根据性能指标和材料强度参数确定了柔性铰链最佳结构参数。另外,通过有限元软件对铰链进行强度校核。结果表明,设计的万向柔性铰链满足要求,总结出的铰链刚度特性规律对设计有一定指导意义。     

稳健优化设计中代理模型不确定性的研究

代理模型的应用解决了稳健设计中计算量大的难题,但由于代理模型与真实模型间存在误差(代理模型的不确定性),而传统的稳健设计忽视了这种不确定性,必然会带来一定的设计误差。因此,针对稳健设计提出了一种基于蒙特卡洛抽样的代理模型不确定性的量化方法,在传统仅考虑参数不确定性的基础上,额外计入代理模型的不确定性对设计的影响。将提出的方法应用于一个数学算例和一个火箭弹卷弧翼气动稳健优化设计,所得优化结果较传统的未考虑代理模型不确定的稳健设计更为精确、合理,证实了提出方法的有效性。     

基于田口方法的汽车悬架稳健性优化

针对悬架设计制造过程中存在不确定性因素而带来性能不稳定的问题,对某电动车麦弗逊悬架进行空间运动学分析,建立了求解悬架性能参数的数学模型,并通过试验验证了模型的合理性。利用该数学模型,采用田口稳健性设计方法,进行正交试验设计,对悬架跳动力学特性进行了多目标稳健性优化,将优化结果进行蒙特卡罗验证,结果表明,优化后的悬架性能及其稳健性均有了很大提高。     

一种双层回转柔性铰链的设计

为了提高回转柔性铰链的平移刚度和回转角度,将直梁与曲面弧形板相结合,形成柔性铰链的变形体,进行了双层回转柔性铰链的设计。基于固定-导向梁的伪刚体模型和串并联弹簧的刚度等效方法,建立了铰链的回转刚度模型。同时,基于伪刚体法建立了柔性铰链的径向平移刚度模型;利用ANSYS软件建立了有限元仿真模型,与理论模型进行了比较,误差约为7%和3%,证明了刚度模型的正确性。通过回转刚度和平移刚度分析,得到所设计的柔性铰链静力学性能,其径向刚度为2 N/mm,可回转角度为30°。     

基于Taguchi方法的车门结构稳健性优化

以某桥车左前门为研究对象,将稳健设计方法应用于车门结构优化设计,运用Taguchi方法中的参数设计法进行稳健设计。将车门板件厚度作为控制因素,材料特性以及载荷作为误差因素,通过正交试验、SN比试验以及方差分析,找出对车门下垂刚度和一阶固有频率最敏感的控制因素,获得控制因素的最佳组合。算例结果表明,采用稳健设计方法,不仅可提高车门结构性能的稳健性,而且可减轻车 门的重量,具有较强的工程实用性。     

基于柔性铰链的柔性放大机构参数化设计

为了对柔性微位移放大机构进行优化设计,有必要对柔性铰链及柔性放大机构进行参数化分析与研究。提出了一个通用的结构参数ε,探讨了ε对不同柔性铰链柔度系数的影响规律,并横向比较了常用柔性铰链的柔度特性。另一方面,基于柔度特性的影响分析,提出了新的参数柔度比λ,重点分析了不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度。以实际的桥式柔性微位移放大机构为例,利用参数ε和λ实现了该柔性放大机构的参数化设计,并用有限元软件进行了仿真计算。实验测量结果表明,对基于柔性铰链的柔性微位移放大机构进行参数化设计,最终输出位移行程与有限元仿真设计的结果误差率为3.80%。基于柔性铰链的结构参数ε和柔度比λ对柔性放大机构进行参数化设计是可行且正确的,有利于这一类柔性放大机构的优化设计。     

考虑不确定性的稳健优化设计研究

传统的稳健设计仅能处理含有随机不确定性参数的问题,以响应的均值和方差来评价。稳健优化设计同时考虑随机不确定性参数和认知不确定性参数,实现不确定性传播的基础上对问题设计参数的优化。采用证据理论来统一描述随机不确定性和认知不确定性,并介绍了描述不确定性时的不确定性传播和响应原理,提出了响应评价准则。最后,以测试系统为研究对象,采用证据理论结构进行不确定性传播,以提出的准则为判断标准,对优化过程进行了验证。     

二自由度柔性铰链六杆机构的设计与分析

柔性机构应用越来越广泛,且在很多机械系统中能有效替代某些刚性机构,从而使整个机械系统达到刚柔并济的目的.在研究混合驱动机构和柔性四杆、五杆机构的基础上,对混合驱动六杆机构进行变型设计.首先利用虚功原理建立二自由度柔性铰链六杆机构的伪刚体模型,得出该机构的伪刚体模型的普遍公式.同时,建立了该机构的拟柔性模型,并得出了拟柔性模型的普遍公式.然后对二自由度柔性铰链六杆机构进行了仿真,得出相关数据,建立了相关转角之间的函数关系.并在普遍公式的基础上解出在施加不同载荷下的二自由度柔性铰链六杆机构驱动杆转角的理论值.最后对仿真值与理论值进行了对比分析,证明了理论推导过程的正确性.     

光器件封装运动平台的柔性铰链设计与分析

在应用于光器件封装中的六自由度柔性并联运动平台中,柔性铰链的性能是制约运动平台大行程和高精度的重要因素。根据卡氏定理和Lobatto求积公式,建立圆角直梁型柔性铰链力学模型,推导出铰链的柔度矩阵。同时提出了评价柔性铰链性能的参数,即转动能力θ和转动精度σ。在此基础上,计算并分析了圆角直梁型柔性铰链的结构参数L、d、r对其转动能力θ和转动精度σ的影响,并通过有限元分析法进行验证。结果表明,提升L和r、降低d可以提升柔性铰链的性能,为运用于光器件封装的柔性并联运动平台设计提供了有力依据。     

基于田口方法的中低压油封稳健性设计

考虑到目前压力油封理论研究较少,本文基于有限元法建立了油封的二维轴对称接触分析模型,采用田口方法,在中低压工况下研究了油封的几个关键设计参数对其接触特性及稳定性的影响。结果表明:缩减油封腰长,增大腰厚,降低过盈量或增大大气侧夹角均可有效缩小接触宽度、提高密封区域稳定性;增大油封腰部厚度,降低过盈量,加大弹簧槽与唇口的距离,减小弹簧劲度系数皆能有效降低油封径向力、减小径向力的波动。通过合理设计油封唇部结构,可提高油封耐压性,使油封在压力场合中更稳定、可靠运行。     

基于田口稳健性设计的多品种小批量生产工序质量改进

首先应用动态特性的田口稳健性设计理论,对多品种小批量生产工序的输出响应值与输入值建模分析,估计出模型参数以及信噪比评价指标,找出影响输出响应值的因素。并通过试验设计与分析,找到最佳可控因素水平组合,使输出响应值对于噪声因素不敏感,而对输入值很敏感,最终使得对于不同的生产品种以及对于投入的新品种,过程的输出响应值均达到稳健的目的,从而大大提高过程质量。最后应用电子束表面硬化案例进行了仿真分析。