含有Heaviside密度映射的构型平稳变化的柔性机构拓扑优化设计

现有柔性机构拓扑优化方法在解决柔性机构拓扑优化的类铰链和灰度问题仍存在一些困难。为获得清晰和不含类铰链的优化拓扑,提出了一种构型平稳变化的结构拓扑优化求解方法。首先,构建了一种能综合表征柔性机构输入和输出端的局部刚度特性的加权组合柔顺度函数;而后,引入加权组合柔顺度的小量变化约束、Heaviside密度映射和变约束限方案,建立了柔性机构构型平稳变化的优化模型;最后结合MMA算法,形成了一种构型平稳变化的柔性机构拓扑优化方法。给出的算例结果表明,相比于现有方法,该方法计算公式简单,可获得清晰且无类铰链的拓扑构型。     

基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计

采用拓扑优化方法获得柔顺机构构型容易出现类铰链结构,导致应力集中、疲劳可靠性差。为了抑制类铰链结构,提出了一种基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料惩罚模型（Solid isotropic material with penalization,SIMP）,以柔顺机构的互应变能最大化作为目标函数,采用P范数方法对所有单元的局部应力凝聚化成一个全局化应力约束,利用自适应约束缩放法使得P范数应力更加接近最大应力,以机构的最大应力和体积作为约束,建立柔顺机构最大应力约束拓扑优化模型,采用全局收敛移动渐近线算法求解柔顺机构最大应力约束拓扑优化问题。结果表明,采用P范数方法进行柔顺机构最大应力约束拓扑优化设计,能够有效抑制类铰链结构。随着应力约束极限值减少,获得机构构型由集中式柔顺机构逐渐转变为分布式柔顺机构,应力分布更加均匀,但机构的互应变能逐渐减小。     

考虑疲劳性能的柔顺机构拓扑优化设计

柔顺机构需要承受多次往复运动,交变应力导致机构容易发生疲劳损伤及失效.为了满足疲劳性能要求,提出一种考虑疲劳性能的柔顺机构拓扑优化设计方法.考虑恒定振幅的比例载荷作用,采用修正的Goodman疲劳准则评定柔顺机构的疲劳强度,以柔顺机构的输出位移最大化为目标函数,以疲劳性能和结构体积作为约束,采用改进的P范数方法进行疲劳约束凝聚,建立基于疲劳性能约束的柔顺机构拓扑优化模型,利用映射过滤方法避免数值不稳定性现象,采用移动渐近优化算法求解柔顺机构疲劳约束拓扑优化的多约束优化问题.数值算例结果表明基于疲劳约束拓扑优化获得的柔顺机构能够满足疲劳要求,机构的von Mises等效应力分布更加均匀;并且分析不同的作用载荷条件对柔顺机构构型及其性能的影响规律.     

多输入多输出柔顺机构几何非线性拓扑优化

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,柔顺机构拓扑实际上是一个几何非线性问题,因而研究多自由度柔顺机构几何非线性拓扑优化就显得十分必要.基于此,给出一种多输入多输出柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的新方法.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,推导描述多输入多输出柔顺机构柔性的几何增益公式和描述机构刚性的应变能公式,研究抑制耦合输出策略,给出描述输出耦合效应的计算公式,在此基础上建立考虑抑制输出耦合效应时多输入多输出柔顺机构的多目标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,拓扑优化采用固体各向同性材料插值方法,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,拓扑优化后柔顺机构可以按照预定要求运动,输出耦合现象得到了有效抑制,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.     

多输入多输出柔顺机构拓扑优化及输出耦合的抑制

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,因而研究多自由度柔顺机构的拓扑优化方法就显得十分必要。给出了一种多输入多输出柔顺机构拓扑优化设计的新方法。首先,推导了描述多输入多输出柔顺机构柔性的互应变能公式和描述机构刚性的应变能公式,研究了抑制耦合输出的策略,进一步给出了描述输出耦合效应的计算公式,在此基础上建立了考虑抑制输入输出耦合效应时柔顺机构的多目标拓扑优化设计模型。其次,基于改进的优化准则法给出了优化模型的有效求解算法。最后,通过算例说明了该方法的正确性和有效性,研究结果表明,拓扑优化后柔顺机构可以按照预定的要求运动,其输出耦合现象得到了有效抑制。     

平面三自由度柔顺机构构型设计与性能分析

采用并联原型机构微分雅克比矩阵与实体各向同性材料惩罚函数法(Solid isotropic material with penalization, SIMP)相结合的拓扑优化方法,以柔度最小和低阶模态频率最大为多设计目标,建立平面三自由度柔顺机构拓扑优化模型实现拓扑优化。以拓扑优化得到的模型边界为形状优化为设计变量,对拓扑优化模型应力与末端位移约束为优化目标进行二次优化。采用增材制造方法3D打印技术对平面三自由度柔顺机构拓扑构型进行加工,并采用雷尼绍双频激光干涉仪进行测量与数据采集。实验与有限元仿真对比结果表明:采用多目标拓扑优化和形状优化组合形成二次优化,运用二次优化方法设计得到的平面三自由度柔顺并联机构,在满足机构具有很好的整体刚度要求下,拥有很高的低阶模态频率实现振动拟制,而且能够实现微纳尺度位移运动特性。     

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。     

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。     

基于节点密度插值的多材料柔顺机构拓扑优化

基于弹簧模型和节点密度插值的固体各向同性材料惩罚模型(Solid isotropic material with penalization,SIMP)方法,给出了一种用于多材料柔顺机构拓扑优化设计的分层优化方法.首先,以输出端位移最大化为目标以各种材料相应的体积占比为约束,建立了多材料柔顺机构拓扑优化模型;其次,采用节点密度插值,构造了设计区域内具有C0连续性的密度场函数,给出了目标函数和约束的敏度解析表达式,使用过滤半径自适应迭代的敏度过滤方案,消除了节点密度插值法中的层化现象;再次,给出了一种分层优化策略用于求解多材料柔顺机构拓扑优化问题;最后,分别用典型的二维和三维柔顺机构拓扑优化问题验证了所提出方法的有效性,并分析了设计参数对优化结果的影响机制.     

平面3-RPR全柔顺并联机构的构型拓扑优化设计

基于并联机构的微分运动学输入与输出之间位移矢量微分映射关系,通过建立平面3-RPR型全柔顺并联机构的拓扑优化模型(SIMP插值模型),运用优化准则法(OC算法)进行优化求解,并采用Heaviside过滤技术对棋盘格现象进行抑制和处理。结合二次插值法对拓扑优化后得到的模型进行曲线拟合,并在Solid Works中三维建模,将模型导入Hyperworks中二次网格划分并进行静力学分析与对比,结果表明:基于映射关系所得出的拓扑优化构型与传统并联机构构型具有相同的运动特性,结构更加简洁、轻便,该方法为此类平面全柔顺并联机构构型综合方面提供理论参考依据。     

3自由度精密定位平台的运动特性和优化设计

为了实现3-RRR柔顺并联精密定位平台的精确运动,研究了它的封闭形式精确运动模型和尺寸优化设计。采用卡氏第二定理建立精密定位平台的封闭式柔度模型。根据柔顺并联机构的结构特点,将其划分为3个对称分布的运动支链,并结合铰链的柔度模型和机构力传递关系分别推导出各个支链的刚度模型,整个系统的刚度为所有支链在同一坐标系下的刚度的叠加。建立的刚度模型是以柔性铰链的柔度为变量的封闭形式模型。根据柔度矩阵可得到反映输入位移和输出位移之间关系的雅可比矩阵。理论模型与有限元分析的比较结果显示,两者所得的运动模型误差为1.0%～9.5%,证明了所推导运动模型的正确性和精确性。根据雅可比矩阵的封闭公式,分析其对结构参数的灵敏度,并由此选出对平台运动特性影响较大的优化设计变量。提出以最大化平台工作空间为目标,以铰链强度、最大输入力、几何尺寸和输入耦合为约束的优化模型。结果表明,优化后的结构参数能获得更大的输出位移,说明该方案能满足优化设计要求。     

整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

基于平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构的微分运动学矢量连续映射关系,建立整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-固体各向同性材料插值(Solid isotropic material with penalization,SIMP)模型,运用优化准则(Optimization criterion,OC)算法对所建立模型求解,采用Heaviside过滤技术处理优化过程中棋盘格和网格依赖问题。基于曲线拟合方法对优化后整体构型轮廓进行拟合,在Solid Works软件中建立其三维模型,进而应用有限元软件进行静力学仿真分析与对比,结果表明:以微分运动学矢量连续映射关系为拓扑优化设计条件,所得出的平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构具有相同的微分运动特性,定性验证了基于拓扑方法对平面全柔顺并联机构设计的有效性。     

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。     

基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型固有振动频率研究

为有效抑制随机振动对超精密定位与加工装备性能的影响,提高本体机构的固有响应频率,提出了基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型设计方法。基于折衷规划法和平均频率法定义了多目标优化函数,并以体积分数为约束条件,建立了全柔顺并联机构SIMP拓扑优化模型。基于Optistruct软件及优化准则算法,并结合微分矢量同构映射雅可比矩阵,实现了全柔顺并联机构构型多目标拓扑优化设计。研究结果表明：所设计出的3-PRR型全柔顺并联机构与并联原型机构具有微分运动一致性,且优化过程中的频率交叉振荡明显减弱并趋于收敛。     

4种柔性铰链的温度效应比较分析

为了减小温度效应对柔顺机构的影响,比较分析直梁、直圆、椭圆和抛物线型4种典型柔性铰链的温度效应,以便合理选取柔性铰链设计柔顺机构。将柔性铰链划分为2个变截面梁单元,计入温度变化产生的初应变,采用最小势能原理推导出4种柔性铰链的热载荷向量和刚度矩阵,采用拉格郎日方程得出其质量矩阵,得出铰链的力学模型。基于柔性铰链的有限元模型,并以柔顺四杆机构为算例,分别对基于4种柔性铰链的柔顺机构的精度、热应力和热振动进行比较分析,分析结果表明:直圆型铰链的热误差最大,抛物线型次之,椭圆型和直梁型最小;所受热应力由大到小的顺序为直圆、椭圆、抛物线和直梁型铰链;直梁型柔性铰链的热振动谐振频率最小,直圆型和椭圆型次之,抛物线型最大,说明直梁型柔性铰链更容易受动态温度变化影响,但抛物线型在谐振频率处的幅值最大,抛物线型铰链热振动更大。     

采用多点逼近遗传算法的屈曲约束下桁架拓扑优化

基于线弹性屈曲理论,讨论了杆单元建模及欧拉单杆失稳判据在桁架结构稳定性分析中的缺陷。为更精确地获得桁架屈曲响应,建议以梁单元进行有限元建模,并利用特征值屈曲分析来获取结构各阶失稳载荷因子及屈曲模态。分析了从基结构法出发求解特征值屈曲约束下桁架拓扑优化问题所存在的求解困难与奇异性。为有效求解该类问题,采用了多点逼近遗传算法,对离散拓扑变量和连续尺寸变量进行了联合优化。同时,通过屈曲模态识别、删除杆件屈曲模态过滤、局部约束临时删除等措施,特征值约束下的求解困难和删除杆件在优化过程中的不利影响也得到了克服。数值算例验证了本文结构建模及优化方法的有效性,同时也表明了该方法具有较高的效率,能够凭借较少的结构分析次数来获得优化解。     

考虑多约束和载荷随机性的稳健结构拓扑优化设计

考虑载荷大小和方向的不确定性,以结构柔顺度的期望和方差的加权和为目标函数,结构体积及多个结构位移为约束函数,研究可获得清晰优化拓扑的稳健结构多约束拓扑优化方法。给出了载荷大小和方向不确定情况下结构柔顺度期望和方差及其导数的显式近似式。结合可行域调整方案,提出具有收敛特征的结构体积和多位移约束的稳健结构柔顺度拓扑优化设计方法。研究了结构柔顺度期望和方差的权重因子对拓扑构型的影响,探讨了位移约束对结构稳健性的影响规律。算例表明,方法是可行和有效的,且可获得一系列清晰的拓扑构型和稳健的优化拓扑。     

基于基础结构法的柔顺机构动力学拓扑优化

提出一种新的在简谐激励作用下,基于基础结构法的柔顺机构动力学拓扑优化方法.框架单元能够包含弯曲模式,因此采用它的集合表示设计域.以动力放大系数最大化与应变能的最小化加权函数为目标,满足在动态条件下柔顺机构具有足够柔度和刚度;并且规一化目标函数避免不同性质目标函数的量级差异.目标函数的敏度采用伴随矩阵法求解,用移动近似算法对优化问题进行迭代求解.通过数值算例对不同外激励频率和不同输出刚度的拓扑优化结构进行分析讨论.结果表明,该方法在柔顺机构动力学拓扑优化设计中是正确的和有效的.     

基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计

为了提高计算效率,提出一种基于等几何分析(Isogeometricanalysis, IGA)的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用NURBS曲线表达几何模型和分析模型,利用改进的固体各向同性材料惩罚法和密度分布函数描述材料分布,采用顺序耦合方法进行电-热-结构多物理场耦合有限元分析,以电热驱动柔顺机构的输出位移最大化为目标函数,以机构的体积为约束,建立基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化数学模型,利用移动渐近线算法求解拓扑优化问题。数值算例验证了提出的设计方法的有效性。与基于有限元分析的优化结果相比,基于等几何分析获得的电热驱动柔顺机构拓扑构型有所不同,边界更加光滑,机构的输出位移更大;并且等几何分析能够有效地减少迭代步数,显著地提高了计算效率。分析不同的输出刚度对电热驱动柔顺机构拓扑构型和机构性能的影响规律。     

平面3-RRR全柔顺并联机构的微分运动分析

通过建立平面3-RRR型全柔顺并联机构"伪刚体模型",采用微动近似算法得到输入和输出之间的位移雅可比矩阵,研究其微动情况下输入与输出之间位移矢量微分映射关系,并进行数值验证,利用ANSYS软件对其进行仿真,为此类平面并联机构及具有多输入多输出特性的空间并联机构微分运动分析提供理论参考依据。