一种桥式微位移放大机构的性能研究

利用桥式微位移放大机构的结构全对称性,建立了微位移放大机构的四分之一数学模型.采用矩阵法建立了其柔度矩阵,推导出位移放大机构的输出位移公式及位移放大比公式;基于模态分析理论,根据拉格朗日方程建立了桥式放大机构的运动微分方程,给出了计算桥式微位移放大机构固有频率的解析式.用ANSYS11.0进行有限元仿真,结果表明:在X,Y轴方向上的输出位移、位移放大比以及机构的固有频率,理论计算值与有限元仿真值的误差分别为7.05％,4.81％,2.48％和0.08％.X轴输出位移相差较大主要原因是在理论模型中采取简化分析而忽略了柔性铰链的伸长,并且假设除柔性铰链外,其它的部分为刚性.     

基于柔性铰链放大的压电叠堆泵

基于压电和精密驱动技术,利用压电叠堆作为驱动器,结合柔性铰链位移放大机构设计了流体泵样机,进行了试验研究。分析了压电叠堆Tokin AE0505D16的滞环特性,从理论上研究了该压电叠堆的刚度特性和快速响应特性。设计制造了用于位移放大的柔性铰链放大机构,对柔性铰链放大机构扭转变形和转角刚度的影响因素进行了理论分析,确定了所设计的柔性铰链放大机构各结构参数;测试了柔性铰链放大机构在不同电源激励下的动态响应、幅频特性、迟滞特性、输出力与输出位移特性,得出了影响放大机构放大倍数和输出特性的因素。利用有限元分析软件对放大机构进行了分析,进一步验证了放大机构的可行性和安全性。通过改变试验参数(电压、频率),对压电叠堆泵样机进行了实验研究,分析了输入电压、输入频率对泵输出流量和输出压力的影响程度。     

基于ANSYS的差动式位移放大机构性能分析

柔性铰链具有无空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、运动灵敏度高等特点.基于柔性铰链设计了一种针对超磁致驱动器的差动式位移放大机构,并采用有限元分析软件ANSYS对位移放大机构进行仿真分析.分析结果表明,位移放大机构的放大倍数较大,强度满足要求,动态特性较好.设计的位移放大机构对高精度、大行程输出的精密驱动器件的实现具有参考价值.     

平面全柔性并联机构柔性铰链的优化分析

以减小全柔性并联机构中最大应力为目标,通过约束优化算法,并结合ANSYS仿真,研究了3-DOF 4 RRR过驱动并联机构中柔性铰链的优化问题.通过ANSYS建立了全柔性机构的有限元模型,并进行了力学性能分析,给出了机构的性能图谱;建立了全柔性机构中柔性铰链的参数优化模型,采用MATLAB对柔性铰链的最小铰链厚度t和铰链半径R进行优化,并通过ANSYS仿真对优化结果进行检验.检验结果证明,当输出位移一定时,对柔性铰链进行优化后的机构的最大应力比优化前的机构小.     

基于概率的柔性铰链机构的优化设计

研究了具有随机参数的平面柔性铰链机构的位移放大和刚度性能的优化问题．从概率统计角度出发，将各设计参数看作随机变量，建立了基于概率的柔性铰链机构优化设计模型，并用Monte Carlo模拟法得到了柔性机构性能及一些约束函数的均值和方差，优化设计求解采用Lagrange乘子法，利用分布函数法将模型中的可靠性约束等价处理为常规约束形式，通过优化设计得到了优化设计向量．根据所得优化设计向量分别得到了机构性能的计算结果，结果表明，当设计参数分散性变大时，优化设计结果偏于保守。     

平面柔性铰链机构自动建模方法

从图论的基本概念出发,得到了柔性铰链机构有向图表示,并针对平面柔性铰链机构提出一种改进的双色图表示方法．通过十字链表的数据结构形式将柔性铰链机构的双色图表示映射到计算机中,按照所需的运算顺序遍历双色图,依次调用相应的函数表达式,从而实现了柔性铰链机构运动静力学模型的自动生成．以差分微位移放大机构为例,将基于图表示的平面柔性铰链机构自动建模方法计算结果与有限元仿真分析结果对比,两者的相对误差为4.89％,表明该自动建模方法是可行的．     

柔性变胞机构的拓扑结构表示及构态变换分析

柔性变胞机构是变胞机构的一个新的研究方向,本文给出了柔性变胞机构的定义和柔性变胞机构的组成元素,并给出了柔性变胞机构的结构简图表示方法,提出了柔性变胞机构拓扑结构的邻接拓扑图和邻接矩阵的表示方法。对于柔性变胞机构的构态变换分析,本文提出了一种基于邻接矩阵的运算方法,并通过应用实例验证了该邻接矩阵运算方法对于柔性变胞机构构态变换分析是有效的和正确的。     

一种载荷路径可控的柔性机翼前缘拓扑优化方法

形变柔性机构拓扑优化设计是解决自适应机翼前后缘连续平滑变形的关键。针对柔性机构传统基结构法拓扑优化结果依赖于其初始结构构型产生方法,存在自由单元和不连续结构的问题,提出了一种载荷路径生成可控并避免路径交叉的方法,运用自适应遗传算法,结合机翼前缘形变柔性机构进行拓扑优化设计,分别用MATLAB编程设计计算和用ANSYS对优化结果进行了有限元形变性能分析,并与传统的载荷路径法的拓扑优化进行了对比分析和实验验证。结果表明:所采用方法有效解决了优化前初始结构构型生成的可行性问题,提高了优化的收敛速度和精度。     

Elastic Model of Flexure-Based Linkage under Motion Constrains and External Load

一种面向运动约束与负载作用下柔性连杆的弹性模型

李培波¹,刘积昊²,赵天兹²,朱荷蕾³,赵言正²

（1 东华大学 机械工程学院,上海 201620;

2 上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室,上海 200240;

3 嘉兴学院 机械电子工程学院,浙江 嘉兴 314001）

创新点说明：

1） 提出一种用于描述运动约束下的柔性铰链基柔性连杆在外部负载作用下的运动特性的简化弹性模型。

2）提出一种基于柔性连杆机构的微型柔性位移放大机构,用于提高薄膜微泵吸盘负压吸附力。

研究目的：

根据柔性机构设计与应用要求,为简化柔性机构优化分析难度提出一种面向运动约束与外部负载作用下的柔性连杆运动性能分析简化建模方法,用于优化柔性机构的位移放大比、输入刚度、机械传递效率等运动性能,利用该建模方法设计优化一种用于增强薄振动的柔性位移放大机构。

研究方法：

1. 基于欧拉-伯努利弹性梁理论与对称机构的位移约束条件,建立运动位移约束与外力负载约束下的柔性连杆运动性能模型

2. 利用ANSYS有限元软件静态结构仿真验证所提出的弹性建模方法。

3. 采用MEMS工艺加工出样机,利用压电致动器驱动,同时采用点激光位移传感器测量机构的输出位移。

4. 采用负压传感器通过测量集成微型机构的微泵吸盘负压吸附特性。

结果：

1）根据与有限元仿真的对比法向,提出的弹性模型能够有效的反映出柔性连杆

2）采用MEMS工艺加工的的微型位移放大机构和薄膜微泵吸盘具有紧凑的尺寸,位移放大机构尺寸：直径15 mm,厚度0.5 mm,重量：0.17 g,薄膜微泵吸盘尺寸：直径15 mm,高度：2.7 mm。

3）柔性机构的位移放大比为6.56。

4） 薄膜微泵吸盘在致动器固有频率13.2 kHz产生最大负压吸附压强2.45 KPa。

结论：

1）提高柔性机构中柔性铰链的转动柔度,可以提高柔性放大机构的位移放大比,但是会导致机构的负载性能下降,柔性铰链柔度过高会导致机构在外部负载作用下的运动性能退化。

2）柔性放大机构的负载能力与输入刚度与材料弹性模量正相关,采用高弹性模量材质的柔性机构负载能力较强,但是会导致机构的机械能传递效率下降。

3）基于微型薄膜微泵的仿生负压吸盘具有结构紧凑、质量轻等优点,MEMS工艺适用于大批量生产作业,可用作微型负压吸附机构。

关键词：弹性模型,柔性机构, 运动学性能

     

非惯性系下旋转压电层合悬臂梁的动力学建模及控制

以压电陶瓷-金属-压电陶瓷对称结构旋转压电层合悬臂梁(RPLCB)为研究对象,在大范围运动规律已知,基于Hamilton原理和有限元法,建立了该层合梁的离散非线性动力学模型.通过动力学数值仿真,给出了该梁末端的响应规律;然后基于建立的动力学模型,利用逆动力学控制方法对梁末端位移响应进行开环主动控制,通过仿真计算,在时域上,得到了0.5倍梁末端横向位移振幅下的预想控制电压,回代动力学方程,得到施加控制电压后梁末端位移响应,与预想结果误差为3.3%,从而证明了该逆动力学控制方法的有效性.另外,这种省去压电传感器,平铺压电层的柔性梁结构,为工程应用提供了一种参考方案.     

不压井井口装置的结构优化设计

采用拓扑优化和尺寸优化对不压井装置进行结构优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计不压井装置结构。利用最终得到的不压井装置的拓扑结构建立新的有限元模型,利用尺寸优化工具,以最小质量为优化目标,最大位移与最大应力为约束条件,实现不压井装置的减重。通过综合两种优化方法,不仅提高了不压井装置的性能,而且大大降低了不压井装置的质量,为工程结构提供了一种新设计思路。     

空间三自由度柔顺并联机构设计与仿真分析

刚体替换法是柔顺机构设计重要方法之一。基于刚体替换理论,选取合适的空间机构构型,选用合适的柔性铰链替换刚性运动副,依据KutzbachGrubler理论计算空间并联机构自由度,进而设计了一种三自由度柔顺并联机构微动平台。利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对柔性支链和微动平台进行位移和应力分析,并得到动平台输出端节点位移数据,验证了三自由度柔顺并联机构的运动精度满足设计要求。通过分析获得的参数为多自由度柔顺并联机构优化提供了参考,同时可为多自由度柔顺并联机构设计提供借鉴。     

基于独立连续变量和复合指数函数的位移约束平面连续体结构拓扑优化

为了进一步研究连续体结构拓扑优化模型的合理性和可行性,基于独立、连续、映射( independent continuous mapping,ICM)方法,在满足结构位移约束的条件下,通过引入复合指数形式过滤函数对位移约束下质量最小化( minimum weight with a displacement constraint,MWDC)模型进行了改进,建立了基于独立连续变量和复合指数函数的位移约束平面连续体结构拓扑优化模型,并进行了优化求解。同时,利用M语言,基于Matlab软件平台,开发了相应的拓扑优化计算程序,并针对4种典型平面连续体结构进行了数值验证,分别比较分析了体积约束下的柔顺度最小化( minimum compliance with a volume constraint,MCVC)模型、MWDC模型以及改进的MWDC模型所得到的最优拓扑结构。数值结果表明：采用复合指数形式过滤函数改进的MWDC优化模型迭代次数更少,优化求解计算效率更高。     

整体式柔性机构的多目标可靠性拓扑优化设计

在用多目标连续体拓扑优化方法设计整体式柔性机构时,将材料弹性模量和外载荷视为随机变量,因而作为目标函数的机构应变能和交互势能亦为随机变量．采用一次二阶矩可靠性理论中的Hasofer-Lind和Rackwitz-Fiessler方法,推导了应变能与交互势能双模式串联时的系统失效概率的迭代计算公式,建立了一个整体式柔性机构多目标可靠性拓扑优化设计对偶数学模型,采用序列凸规划理论中的对偶算法进行优化求解．以反向器柔性机构设计作为仿真算例,结果表明,随着可靠性约束指标的增大,拓扑优化设计结果趋向保守．     

基于ANSYS平台的连续体渐进结构优化设计及其应用

基于ANSYS分析软件平台,在传统的渐进结构优化（ESO）思想的基础上,依据对结构位移灵敏度的分析,较严格地导出了结构的应力灵敏度;并根据荷载的最优传递路线概念提出了一种具有应力约束连续体结构拓扑优化的单元删除策略,从而使得在结构拓扑优化的迭代过程中,最大应力的变化尽可能小,且最优结构所对应的最大应力能控制在容许应力范围之内。若干工程算例的优化结果表明,该方法在结构优化目标质量最轻的前提下计算效率相对较高,且优化结果与工程实际要求较吻合,同时也从数值上验证了该方法的可行性和有效性。     

A level set method for reliability-based topology optimization of compliant mechanisms

Based on the level set model and the reliability theory, a numerical approach of reliability-based topology optimization for compliant mechanisms with multiple inputs and outputs is presented. A multi-objective topology optimal model of compliant mechanisms considering uncertainties of the loads, material properties, and member geometries is developed. The reliability analysis and topology optimization are integrated in the optimal iterative process. The reliabilities of the compliant mechanisms are evaluated by using the first order reliability method. Meanwhile, the problem of structural topology optimization is solved by the level set method which is flexible in handling complex topological changes and concise in describing the boundary shape of the mechanism. Numerical examples show the importance of considering the stochastic nature of the compliant mechanisms in the topology optimization process. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50775073), the Teaching and Research Award Program for Outstanding Young Teacher in Higher Education Institutions of the Ministry of Education of China, the Guangdong Hong Kong Technology Cooperation Funding (Dongguan Project 20061682), the Research Project of Ministry of Education and Guangdong Province (Grant No. 2006D90304001), and the Natural Science Foundation of Guangdong Province, China (Grant No. 05006494)     

减震结构粘滞阻尼器参数优化分析

研究了基于响应面法进行减震结构非线性粘滞阻尼器参数优化设计的方法,该方法包括试验设计、有限元分析、响应面函数拟合和参数优化。以一榀钢筋混凝土框架结构非线性粘滞阻尼器参数优化为例,以所有粘滞阻尼器提供的阻尼力之和最小为优化目标函数,层间最大位移限值作为约束条件,建立粘滞阻尼器参数优化的数学模型,然后运用非线性规划优化方法进行参数优化。算例研究结果表明:基于响应面法进行粘滞阻尼器参数优化,既能保证结构层间位移小于限值,又能降低建造成本。     

基于不规则元胞的主轴温度－结构场耦合热拓扑优化设计方法

为了适应复杂的几何形状,避免传统的规则矩形元胞不能均匀地覆盖设计区域的问题,实现主轴结构耦合场热拓扑优化设计,提出基于不规则元胞的混合元胞自动机法（HCAM）耦合场主轴热拓扑优化设计方法. 该方法以数值传热学的相关理论为基础,用三角形元胞来替代传统的矩形元胞,并引入局部网格细化的思想,在应力集中或应变急剧变化的区域实现局部元胞细化,使得整个结构的元胞尺寸自适应变化. 通过案例对比分析验证了该方法的可行性,该方法可以有效地适应复杂结构形状、减少元胞单元和有限元网格的数量以及降低元胞单元与有限元网格之间映射的难度. 利用不规则元胞的HCAM对主轴结构进行不同工况下的温度－结构场耦合热拓扑优化设计研究,最终获得的热拓扑优化构形结果不仅减少了主轴结构材料,而且改善了其热态特性.     

基于连续体拓扑优化的大型基座轻量化设计

拓扑优化设计能在给定约束和边界条件下,获得最优的材料布局。研究了连续体结构拓扑优化在大型基座轻量化设计中的应用。介绍了连续体拓扑优化原理,建立了拓扑优化的数学模型;对某大型经纬仪的基座进行连续体拓扑优化设计,获得基座的最优材料分布结果;以拓扑优化结果呈现的材料分布特征为依据,用空心方钢管构建桁架结构基座,完成轻量化基座的设计;对设计结果进行有限元分析,结果表明,轻量化基座与传统铸造结构基座相比,在保证静力载荷变形不变的情况下,可减重357.4kg,轻量化率为27.8%。     

声振耦合声场分析与声辐射结构优化

为实现内声场和外声场同时存在的强耦合声辐射预报和噪声优化,建立有限元/边界元强耦合方程,并给出两种声功率灵敏度的求解方法。首先给出结构和内声场的声振耦合有限元方程,并考虑外声场声介质对结构的反作用,根据交界面力和法向速度的连续性建立有限元/边界元强耦合方程;然后针对声功率拓扑优化中单元灵敏度分析时难以解耦的问题,将声功率转化为以结构位移为变量的表达形式,并修改伴随方程,实现将该方法扩展至强耦合优化问题中;同时针对伴随变量法(adjoint variable method,AVM)推导过程复杂的问题,提出声功率灵敏度的直接求导法;最后采用线性化刚度方法将结构单元相对密度作为连续设计变量,对不同的结构材料和声介质组合优化问题展开研究。对比计算表明:该耦合模型计算的响应值与采用无反射边界的有限元法计算结果基本吻合;直接求导法和伴随变量法均可使迭代达到收敛,但直接求导法推导过程更简洁高效;数值优化算例证明优化算法的适用性较好,在声功率优化设计中的有效性。