用拓扑优化方法进行微型柔性机构的设计研究

研究了微型柔性机构拓扑优化设计中的几个关键问题，提出了一种基于优化准则法和移动渐进优化算法的综合求解策略，在柔性机构设计中采用了非线性求解技术和伴随矩阵敏度分析技术，并将这些关键技术在算法上进行了实现，设计出了几种典型的微型柔性机构器件。     

考虑不确定性的柔性机构拓扑优化设计

柔性机构在制造和运行过程中会存在各种不确定因素。基于多椭球凸模型描述,考虑荷载及材料属性的不确定性,采用人工弹簧方法和几何非线性有限元分析手段,提出以输出端位移最大化为目标、具有最小输入端性能约束的柔性机构拓扑优化数学模型。采用伴随法给出设计变量灵敏度计算公式,提出数值计算不稳定性的简易处理方法,利用数学规划法实现优化问题的求解。反向器机构和微夹钳机构的设计算例验证了所提出优化模型的正确性及算法的有效性,并通过与确定性设计结果的比较,说明了在柔性机构拓扑设计阶段考虑不确定性的重要意义。     

柔性机构拓扑优化设计研究

介绍了柔性机构拓扑设计现状,讨论了柔性拓扑优化设计模型的建立,非线性求解技术和伴随矩阵敏度分析技术,并给出简单的算例说明算法的可行性.最后指出了机构拓扑优化设计的发展方向、需要解决的问题以及可能解决的方案等.     

基于等几何拓扑优化的柔性机构设计

等几何分析能够将几何建模的基函数与结构数值分析的形函数统一,从而得到高精度的结构数值分析结果。面向柔性机构,提出了一种基于等几何拓扑优化的柔性机构设计方法：通过NURBS基函数和Shepard函数构造增强密度分布函数,该函数的高阶连续性可确保优化结构边界的光滑清晰;然后根据密度分布函数建立柔性机构的等几何拓扑优化模型;最后,将该方法应用于柔性机构设计。通过算例结果可知,等几何拓扑优化方法特有的计算原理可提高数值计算的精度和效率,能有效避免由网格依赖、棋盘格现象等产生的边界问题,确保了优化结构均具有较好的光滑性和连续性,验证了提出的方法能有效避免柔性机构的铰链现象。     

分布式柔性机构拓扑优化设计的理论和算法

将连续体结构的拓扑优化技术应用到分布式柔性机构的设计中,基于变密度法和优化准则法推导并建立柔性机构拓扑优化的一种显式的设计变量收敛格式。结合分布式柔性机构优化设计的人工弹簧模型和虚拟载荷法,提出一种新型的分布式柔性机构拓扑优化设计的多准则优化模型,同时综合考虑柔性机构设计的机械效率要求和结构的刚度要求,并利用伴随敏度分析法进行敏度分析。数值算例证明研究方法的有效性,并分析和讨论优化模型和收敛格式中有关优化设计参数对柔性机构优化设计结果的影响。用激光快速成形技术验证柔性机构概念设计的合理性。     

集中柔度全柔性机构拓扑优化设计研究

根据集中柔度全柔性机构特点,基于连续体拓扑优化技术,采用SIMP人工材料密度方法.以机构的刚度和柔度要求相结合的功能函数作为优化目标,建立集中柔度全柔性机构拓扑优化设计模型.采用优化准则法进行数值计算,并推导了迭代公式.通过所建立的优化模型设计出的机构拓扑图形具有"集中柔度"特征,为集中柔度全柔性机构的设计提供了基础.数值算例证明了研究方法的有效性.     

无网格法结构拓扑优化模型的GPU并行加速求解及应用

基于无网格法的连续体结构拓扑优化,具有计算精度高、可消除传统拓扑优化中的数值不稳定性等优势,然而无网格法结构拓扑优化模型的求解存在计算耗时长的问题。为此引入GPU(Graphic processing unit,GPU)并行加速技术,开展无网格法结构拓扑优化模型的GPU并行加速求解及应用研究,以缩短拓扑优化模型的求解耗时。基于交叉节点对思想构建了拓扑迭代中刚度矩阵的GPU并行组装流程,结合CUDA(Compute unified device architecture,CUDA)库函数与预处理共轭梯度法实现了离散方程的GPU并行加速计算,且通过提前计算并存储形函数及其导数值以避免重复计算,建立了无网格法拓扑优化模型的GPU并行加速求解算法。通过二维悬臂梁算例验证了算法的正确性,完成了二维曲形支架、三维支撑平台以及多工况固支梁的拓扑优化设计,并分析了GPU并行算法的加速性能。算例结果表明所提GPU并行加速算法的计算结果正确,且极大地提高了无网格法拓扑优化模型的求解效率。     

多相材料的柔性机构拓扑优化设计

基于变密度法建立了多相材料的插值模型,并建立了以结构输出点位移最大为目标、材料体积为约束的多相材料柔性机构拓扑优化数学模型。运用移动渐近线方法对微型柔性夹钳设计开展拓扑优化并对结果进行分析。结果表明:基于多相材料的柔性机构拓扑优化方法能大幅降低拓扑结构的最大应力水平,但也一定程度上减小了结构输出点的位移。整体而言,该方法具有可行性,能有效解决工程中遇到的因应力过大而导致的结构失效问题。     

用SIMP-SRV方法进行柔性机构拓扑优化设计

为得到清晰的0—1拓扑分布结构,在SIMP（solid isotropic microstructures with penalization）和SRV（the sum of the reciprocal variables）方法的基础上提出了一种新的混合方法——SIMP-SRV方法,该方法将SIMP得到的优化结果用来初始化SRV方法的设计变量,再用SRV方法得到最终的优化目标。将SIMP—SRV方法应用于柔性机构的0—1拓扑优化设计中,得到了轮廓清晰的拓扑分布结构,完全消除了中间密度单元,从而证明了该方法的有效性。     

柔顺机构几何非线性拓扑优化设计

对柔顺机构几何非线性拓扑优化设计理论进行了深入研究。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应。其次,基于固体各向同性材料插值方法,建立体积约束下,输出位移最大为目标函数的柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型,目标函数敏度分析采用伴随求解技术,并用移动近似算法进行迭代求解。最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性。研究结果表明,应用上述方法对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化设计能够得到合理拓扑图,并比线性分析所得机构的稳定性更高,同时也说明了对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化的必要性。     

基于均匀化方法的柔顺机构的拓扑优化设计

基于柔顺机构拓扑优化设计的均匀化方法,给出了柔顺机构应变能和互应变能的算法,建立了柔顺机构多目标优化设计的模型并给出了相应的求解方法。最后通过算例说明了方法的可行性。     

基于并行策略的多材料柔顺机构多目标拓扑优化*

多材料柔顺机构能够让设计者充分利用各种材料的优良属性,在力,位移,以及能量转移等方面获得更大的设计自由度,因而受到重视。针对受到广泛研究的柔顺机构,结合多目标拓扑优化的方法,提出相应的基于并行策略的求解模型。该方法的核心是将一个复杂的多材料多目标问题离散成为单材料子问题,然后并行求解,再根据整体目标的需要,对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解。针对多目标情形,提出新的材料与输出目标关系,从而在将多材料问题离散成单材料子问题的同时,也将多目标问题离散成单目标子问题。对所有的单材料单目标子问题采用各向同性材料的刚度插值-惩罚法并行独立求解。以上方法有其独特优势：在理论和实践上都比较简单,可以处理任意多种材料,可以避免零碎的拓扑结构因而有利于制造。通过算例说明了此方法的有效性。研究结果表明,该方法在某些输出需要特定材料的设计场合更具优势。     

连续体结构的柔顺机构拓扑优化设计

通过对连续体结构柔顺机构的拓扑分析,提出了连续体柔顺机构拓扑优化方法,即同时考虑最大化的互应变能和应变能,即系统的刚度和柔度;建立其数学模型并用此分析其约束的敏度。     

基于转动约束策略的柔顺机构拓扑优化

柔顺机构在航天航空、生物医疗、及仿生机器人等高新科技领域的精密微机械系统中拥有巨大的应用潜力。目前,拓扑优化是柔顺机构构型设计的主要方法之一。为了解决传统柔顺机构拓扑优化设计中存在虚铰的问题,首先,将旋转角引入柔顺机构构型设计中,以旋转角为观测指标,分析拓扑优化结果中存在虚铰的原因。其次,通过约束设计域内的旋转角平方的平均值不超过许用值,建立无铰链式柔顺机构拓扑优化模型,并且利用伴随法推导与之相应的灵敏度分析列式。最后,采用反向位移机构与柔性夹钳这两个经典算例的拓扑优化设计验证了所提优化模型的可行性和有效性。研究结果表明：基于转动约束策略获得的具有类桁架构型无铰链式柔顺机构,虽然在输入位移与输出位移方面表现出一定程度的减少,但避免了局部应变过大、应力集中问题的出现。     

Multi-objective Topology Optimization of Thermo-mechanical Compliant Mechanisms

The material characteristics of a structure will change with temperature variation,and will induce stress within the structure.Currently,the optimal design for the topology of compliant mechanisms is mainly performed in single physical field.However,when compliant mechanisms work in high temperature environments,their displacement outputs are generated not only by mechanical load,but also by the temperature variation which may become the prominent factor.Therefore,the influence of temperature must be considered in the design.In this paper,a novel optimization method for multi-objective topology of thermo-mechanical compliant mechanisms is presented.First,the thermal field is analyzed with finite-element method,where the thermal strain is taken into account in the constitutive relation,and the equivalent nodal thermal load is derived with the principle of virtual work.Then the thermal load is converted into physical loads in elastic field,and the control equation of the thermo-mechanical compliant mechanism is obtained.Second,the mathematical model of the multi-objective topology optimization is built by incorporating both the flexibility and stiffness.Meanwhile,the coupling sensitivity function and the sensitivity analysis equations of thermal steady-state response are derived.Finally,optimality criteria algorithm is employed to obtain numerical solution of the multi-objective topology optimization.Numerical examples show that the compliant mechanisms have better performance and are more applicable if the temperature effect is taken into account in the design process.The presented modeling and analysis methods provide a new idea and an effective approach to topology optimization of compliant mechanisms in electrothermic coupling field and multiphysics fields.     

基于混合元胞自动机的柔顺机构多目标拓扑优化方法

采用无梯度优化方法——混合元胞自动机方法进行体积约束下柔顺机构多目标拓扑优化设计。以应变能最小化和互应变能最大化为目标,以结构体积为约束,采用标准化方法定义多目标拓扑优化的目标函数,消除不同性质目标函数在数量级上的差异。将混合元胞自动机方法用于多目标优化问题的求解,以比例控制作为局部控制规律。数值算例结果表明,该方法用于柔顺机构多目标拓扑优化设计是有效的,优化迭代次数较少,且结构不易出现单节点铰链现象。     

基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略.由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题.柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计.针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性(柔顺度...