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。     

柔顺机构的频率特性分析

以伪刚体模型为基础对平面柔顺机构的频率特性进行了详细的分析,并分别就机构截面参数、结构尺寸、材料参数对频率的影响进行了讨论;针对柔顺机构材料特点提出了新的频率特性比较指标,给出了数值算例,验证了评价指标的可靠性。     

集中式柔性机构动力学等效分析方法研究

基于伪刚体模型与功能守恒定律,建立了集中式柔性机构动力学等效分析方法。在忽略杆件弹性变形的基础上,借助Paros给出的圆弧形柔性铰链扭转刚度计算公式,形成集中式柔性机构的伪刚体模型;依据动能不变及功率不变的原则,将柔性机构的伪刚体模型进行等效处理,建立了集中式柔性机构动力学等效分析方法。采用该方法,分别对单自由度和双自由度柔性机构进行了动力学等效分析,并将获得的解析解与ANSYS软件获得的数值结果进行了对比,证实了本文提出的动力学等效分析方法是十分有效的,该方法为柔性机构的动态优化设计提供了有力工具。     

柔顺机构PRR伪刚体模型的研究

在已有伪刚体模型的基础上,将柔顺机构里大变形柔顺杆的轴向变形和横向变形的影响都考虑进去,增加伪刚体模型的自由度,提出一种具有两个转动副和一个移动副的多自由度伪刚体模型。该模型将4个不同长度的刚性杆件用一个拉压弹簧和两个不同刚度系数的扭转弹簧依次连接,进而建立柔顺机构中大变形柔顺杆的PRR伪刚体模型。模型的参数运用二维搜索和线性回归法求得。通过数值分析计算,将该伪刚体模型与1R、和PR伪刚体模型以及柔顺杆的末端轨迹进行分析对比,验证了PRR伪刚体模型能够更加精确地反映柔顺杆末端轨迹的变形特征。     

含大变形柔顺杆的柔顺机构应变分析

为了描述含大变形柔顺杆的柔顺机构的动力学特性,需要建立其动力学模型。利用有限元法描述柔顺杆件的变形,根据Lagrange方程建立了含大变形柔顺杆的柔顺机构的动力学方程。在此基础上,推导了柔顺机构中大变形柔顺杆上任意一点的应变的算法,计入了应变中的非线性应变项——附加拉压应变。以平行导向柔顺机构为例,将理论计算结果与实验结果进行对比和分析,相互验证了实验系统和理论模型的有效性和正确性。     

平面双稳态柔性机构的设计

讨论了平面双稳态的物理含义以及平面双稳态柔性机构的主要分析理论;在实例模型分析的基础上提出了允许设计者调整稳定平衡位置的强迫式双稳态柔性机构设计思想,并结合实例对这一设计思想进行了理论分析。结果表明,这可极大地提高机构工作时的精确性、稳定性、可靠性。     

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。     

定常力输出柔性滑块机构的优化综合

定常力输出机构就是在一定的输入范围内输出一恒定力的机构。本文首先利用虚功原理建立了实现定常力输出柔性滑块机构中力与位移间的关系式 ,进而提出了当考虑和不考虑零件中的应力时柔性滑块机构的优化综合方法 ,最后给出了优化综合实例以证明该方法的正确性     

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.     

平面柔顺机构的自由度

柔顺机构是一类借助其柔性元素自身的弹性变形来传递运动、力或能量的装置。由于引入了柔性元素,柔顺机构中构件和运动副常常无法严格区分,导致其自由度概念有别于刚体机构的自由度,甚至带有一定的模糊性。在总结柔顺机构的结构和运动特点的基础上,分析确定机构自由度应遵循的基本准则,并给出可用于全面描述柔顺机构的两种自由度的定义(刚性自由度和柔性自由度)和相关推论。通过几种典型柔性元的伪刚体建模的讨论以及相关设计实例的分析,给出一种行之有效的平面柔顺机构自由度的计算方法。     

柔性机构及其应用研究进展

柔性机构自20世纪80年代提出以来迅猛发展,已成为现代机构学一个重要分支。短短不足30年间,柔性机构设计理论的构建与发展,为柔性机构成功应用奠定了坚实基础。随着对柔性及柔性机构认识不断深入,柔性机构得到了广泛应用,不断涌现新的成功实例。继5年前综述了柔性机构设计方法研究进展之后,尝试从应用的视角鸟瞰一下柔性机构的最新进展。通过将柔性机构的主体应用划分为精密工程、仿生机器人、智能材料结构三大主阵地,概述柔性机构在每个阵地中的应用进展及研究热点情况,并对其发展做了展望。对四种最具发展潜力和应用前景的新型柔性机构(胞元式柔性机构、辅助接触式柔性机构、平面折展机构、柔性静平衡机构)进行简单描述。     

面向柔顺装配装夹的机器人手腕变刚度机理研究

在柔顺装配装夹过程中,不同工序对机器人手腕刚度要求不同。在刚性定位工序中,大的手腕刚度可保证机器人搬运工件定位到作业位置的精度。在装配装夹工序中,小的手腕刚度可柔顺补偿机器人装配装夹工件的位姿误差。提出了一种大范围变刚度的五自由度手腕,可实现工件的翻转、俯仰、偏转和平移。研究通过调节弹性张力改变手腕刚度的机理,实现手腕关节刚度随弹性张力的增加而线性增加。分析手腕弹性张力和几何参数对手腕变刚度特性和刚度分布的影响,通过设计手腕关节的几何参数实现手腕刚度分布保持不变。研究变刚度手腕刚性定位与柔顺装配装夹的机理,建立手腕装配装夹过程中的形变位姿模型和补偿工件位姿误差的空间模型,得到手腕刚度随手腕位姿的变化模型,实现手腕克服阻力完成装配装夹作业。实验结果表明机器人手腕可大范围变刚度,满足刚性定位与柔顺装配装夹要求。     

A 3-DOF Pseudo-Rigid-Body Model for Tension-Based Compliant Bistable Mechanisms

Compliant bistable mechanisms, devices with two distinct stable equilibrium positions, are used in a variety of applications, such as switches, clasps, and valves. Many kinds of compliant bistable mechanisms were proposed and studied during the past decade. Among them, tension-based compliant bistable mechanisms, that incorporate tension pivots as their flexible members, feature in short travel distance and low power consuming. So far, the design of this kind of bistable mechanisms is done using finite element method through trial and error, thus is time-consuming. By treating the tension pivots as fixed-guided segments and their elongation as a spring, we developed a novel three degree-of-freedom (3-DOF) pseudo-rigid-body model (PRBM) for this kind of bistable mechanisms. The principle of virtual work is used to derive the force-deflection relationship of the PRBM model. The comparison between the PRBM results and the experimental results of the force-deflection characteristics shows that the PRBM can predict not only the bistable behavior of the tension-based bistable mechanisms, but also their soft spring-like post-bistable behavior and the spring-like force-deflection characteristics when pulling in the reverse direction from the as-fabricated position, which is called reverse behavior. The 3-DOF PRBM can be used to design and identify tension-based bistable mechanisms. Using the PRBM instead of the trial-and-error method can greatly reduce the development time of this kind of bistable mechanisms.     

模拟柔顺机构中柔顺杆件末端特征的2R伪刚体模型

柔顺机构是一种新型机构,其中包含的柔顺杆件会因为产生大变形而导致分析起来十分复杂。伪刚体模型能够简化柔顺杆件的大变形分析。基于伪刚体模型的原理,针对柔顺机构中的柔顺杆件,提出以末端转角参数化近似方法为基础的2R伪刚体模型。该模型用两个不同劲度系数的扭转弹簧连接3个不同长度的刚性杆件,并用特征半径系数表征刚性杆件的长度,用刚度系数表征扭簧的扭转能力,通过二维搜索得到模型的最优特征半径系数,应用线性回归方法得到模型的刚度系数。该模型能准确模拟柔顺机构中柔顺杆件的末端变形轨迹和变形角度。推导柔顺杆件和伪刚体模型变形时的应变能公式,通过数值对比,从能量角度评价伪刚体模型储存应变能的能力。     

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.     

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。     

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。     

Stiffness Analysis of Corrugated Flexure Beam Used in Compliant Mechanisms

Conventional flexible joints generally have limited range of motion and high stress concentration. To overcome these shortcomings, corrugated flexure beam(CF beam) is designed because of its large flex...     

面向柔顺机构输出微位移的田口方法优化设计

针对微位移放大特性难以实现的工程问题,将田口方法融合到柔顺机构微位移结构优化过程中,使微位移实现最大化的目标。筛选出柔顺机构输出位移的相关参数,对各参数进行分析得到输出微位移函数表达式,设计正交试验表,利用函数关系将各组合参数对应的输出微位移列于表中,通过信噪比分析和容差设计确定最优参数组合。结果表明,柔性铰链的宽度、柔性梁的长度、刚性梁的长度和机构的厚度对输出位移影响程度逐渐减小。优化结果表明输出微位移提高了390.56μm。     

一种新型柔顺机构设计方法的研究

大变形柔顺机构的设计由于几何非线性的关系,需要利用有限元软件分析研究,而不同宽度的梁单元在有限元建模时并不符合实际机构的设计。提出一种柔顺机构连接器,通过连接器与不同梁单元的连接可以构成不同的柔顺机构,而对同一种柔顺机构由于不同的输入与输出,也会发生不同的变形。其次,对柔顺机构连接器进行有限元建模。最后,对设计域内的柔顺机构建立了拓扑优化设计的数学模型,从而可以通过数学模型的求解找到设计域内最优的设计方法。