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.     

用无网格法进行大变形柔性机构拓扑优化设

基于连续体结构的拓扑优化理论,将无网格伽辽金数值方法引入分布式大变形柔性机构拓扑优化设计,并解决了优化中的几何非线性问题。在优化问题中,基于各向同性固体材料惩罚模型（solidisotropic material with penalization,SIMP)和折衷规划法,同时考虑结构的柔性和刚度要求,建立了柔性机构拓扑优化的多准则优化模型,并利用优化准则法求解。采用无网格伽辽金法将求解域离散成节点,避免了有限元方法在处理大变形问题时由于使用网格而产生网格畸变等问题。求解经典算例,与基于线性理论的优化结果相比较分析,说明了该方法的正确性和有效性。     

一种模块化机器人的拓扑构型优化

采用遗传算法对一种关节型模块化机器人系统面向任务的拓扑构型优化设计问题进行了研究。对任意机械臂拓扑构型组成模块的类型、参数、数量及模块间连接顺序和装配方位等信息进行了二进制编码。按照性质不同将设计要求划分为刚性要求、柔性要求及刚性+柔性要求,对不满足刚性要求的拓扑结构通过过滤器处理以提高效率,对其他拓扑结构进行构型评价并以评价结果的加权和的形式建立构型评价函数。以自由度最小为主要优化目标,结合遍历法和遗传算法给出一种拓扑构型优化设计方法。构型优化实验验证了该方法的有效性。     

柔性铰链机构设计方法的研究进展

柔性机构历经20年的发展已成为现代机构学一个重要分支,并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用。虽然涌现了一系列柔性机构设计方法与理论,但柔性机构的设计问题仍面临着挑战。主要针对柔性机构在精微领域的应用,从方法和技术的角度全面地概述柔性机构的研究进展。从宏观上对当前几种主流的柔性机构分析与及设计方法(包括伪刚体模型法、结构矩阵法、约束设计法、旋量理论拓扑综合法、模块法、结构优化设计法等)进行总结与比较,按照柔性机构的设计流程详述柔性机构在单元建模、构型综合、机构分析以及尺度综合等方面的国内外研究进展,对柔性机构设计理论的发展进行展望。     

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。     

微夾钳的拓扑优化设计

概述了柔性结构的一种设计方法———拓扑优化法 ,并以微夾钳为例 ,对不同负载、不同约束情况下微夾钳结构进行了拓扑优化设计。     

微夹钳的拓扑优化设计

概述了柔性结构的一种设计方法——拓扑优化法，并以微夹钳为例，对不同负载、不同约束情况下微夹钳结构进行了拓扑优化设计。     

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。     

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）加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;（2）通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。     

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。     

拓扑及参数优化方法在专用汽车车架结构设计中的应用

提出了将拓扑优化理论和结构参数优化方法综合应用于集装箱半挂车车架结构设计中的设计思想。在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论．先对结构进行布局优化,以获得较合理的初始结构方案,再通过结构参数优化设计,得到满足其强度和刚度及设计工艺要求的最优结构。探讨了拓扑优化设计过程中,基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题。在ANSYS软件平台上进行了CAE软件包的二次开发．设计了集装箱半挂车车架优化设计专用软件模块。     

机械产品设计的结构优化技术应用

结构优化技术是综合运用拓扑优化和尺寸优化技术,快速设计出满足技术要求的产品,是一种搜寻最优设计方案的技术。在允许改变的条件下,重新定义设计变量如表征结构外型的几何参数(圆孔半径等)和物理参数(如材料的弹性模量、密度等),重新定义约束条件如装配位置限制条件等,选择最优化并对计算结果分析评估,使产品的性能指标达到最佳效果。应用拓扑优化和尺寸优化技术对于全新产品机械结构的设计是非常关键的,充分发挥技术人员的创新能力,激发创新设计的思路,通过优化设计,降低产品重量,优化了结构,提高了产品性能。     

基于基结构法的液压机底座结构拓扑优化

为使液压机底座结构的拓扑设计更加合理,提出了基于基结构法的底座结构拓扑优化方法,并以8 MN液压机底座为例,给出了以板为基本结构单元的底座基结构和建立在基结构基础上的包含尺寸变量和拓扑变量的结构拓扑优化数学模型。针对该拓扑优化问题,设计了专门的遗传求解算法。     

基于ESO的约束阻尼板拓扑优化设计研究

基于渐进结构拓扑优化方法（Evolution Structural Optimization，ESO），以阻尼材料用量为约束条件、模态损耗因子最大化为目标函数，研究了约束阻尼板结构的拓扑优化设计问题，推导了灵敏度分析公式，给出了阻尼结构拓扑优化设计方法，得到了在一定阻尼材料用量下约束阻尼板结构的模态损耗因子最大的拓扑构形。该方法对于阻尼结构的优化设计有一定的意义，具有较强的工程实用性。     

超精密机械结构多目标拓扑优化设计

为满足超精密工件台结构极高的静动性能要求,提出了一种基于目标分层的多目标结构拓扑优化方法,并将其应用于超精密工件台关键件的结构优化设计中。基于ANSYS的仿真实验结果表明,多目标结构拓扑优化方法能够有效地提高结构的静动性能和设计效率,满足超精密结构极高的性能要求,为现代工程结构的多目标优化设计和改进提供了理论依据和方法。     

卫星天线臂结构优化设计的分级遗传算法

为满足刚度大、强度高、质量小的设计要求,本文针对卫星天线臂的结构优化设计提出了分级遗传算法。首先,依据设计与制造要求,将天线臂结构优化设计分解为拓扑构型与杆件尺寸两级优化问题。然后,将单元材料相对密度作为基因,整体结构的相对密度作为染色体,将刚度与质量转化为适应度函数,形成拓扑构型的遗传算法。其次,在保持拓扑构型不变的条件下,将组成拓扑构型的各杆件的剖面面积作为设计变量,杆件结构的质量作为目标函数,形成杆件尺寸优化模型,通过引入遗传算子,形成第二级遗传算法。最后,给出了某卫星天线臂结构优化设计实例,证实了本文分级遗传算法的有效性。     

基于灵敏度分析的精密离心机负载盘的优化设计

在完成对CTR-200g型精密离心机负载盘进行拓扑优化形成概念设计的基础上，针对负载盘结构布局的特征及相关设计参数对负载盘动态特性和自身质量的影响差异，采用了基于梯度工具的设计变量的灵敏度分析，对负载盘结构进行了优化设计，得到了负载盘的最佳设计结构。研究内容对提高系统精度、降低额定功率和提高电磁兼容性能等具有重要意义，并为负载盘的进一步工程设计提供了明确的指导方向。     

基于Optistruct的重型梁结构优化设计

针对重型梁结构的拓扑优化设计,引用了一种基于SIMP变密度插值法的单目标拓扑优化方法。在限定拔模方向的环境下使用Optistruct进行拓扑优化,通过罚函数对相对密度进行惩罚,得到拓扑优化结果。根据优化结果,对梁截面进行二次工艺强化,使刚度、强度、轻量化三者协调统一。     

基于拓扑优化方法的牵引车车架优化设计

建立了牵引车车架的有限元模型并进行了多工况静力学分析,基于OptiStruct软件,对多工况拓扑优化常见问题提出了工程实用的解决方法,实现了牵引车车架结构优化设计.通过优化前后计算结果的对比分析,说明基于变密度法的拓扑优化技术能有效进行牵引车车架优化设计,避免结构设计的盲目性,优化结果为同类产品结构设计提供了参考.