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。     

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。     

考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计

拓扑优化设计的压力驱动柔顺机构拓扑构型容易出现类铰链结构,导致难以制造加工。为了满足制造工艺要求,提出一种考虑最小尺寸控制的压力驱动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,利用达西定律结合排水项计算流体压力载荷,以机构的互应变能最大化和应变能最小化为优化目标,采用Otsu算法和拓扑细化算法提取柔顺机构的骨架特征,从而构建最小特征尺寸控制,以结构体积和最小特征尺寸作为约束,建立考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化模型,采用移动渐近线算法进行压力驱动柔顺机构拓扑优化问题求解。数值算例结果表明,所提设计方法获得的压力驱动柔顺机构最小特征尺寸满足约束,能够有效地抑制类铰链结构,并且分析不同最小控制尺寸对柔顺机构拓扑优化结果影响规律。     

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。     

考虑载荷随机性的可行域调整的结构拓扑优化设计

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,结构体积为约束函数,研究稳健结构拓扑优化方法。首先给出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,而后改进可行域调整方案,提出具有收敛特征的稳健结构拓扑优化设计方法,探讨结构柔顺度期望和方差的权重因子以及随机量的方差对拓扑构型的影响。给出的算例表明,不论是确定载荷拓扑优化还是随机载荷拓扑优化,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。     

考虑屈曲约束的无铰链多输入多输出柔性机构拓扑优化设计方法

针对柔性机构的稳定性要求,基于Heaviside三场映射方案和柔顺度变化率约束措施,研究了屈曲约束下无铰链多输入多输出柔性机构柔度最小化的拓扑优化问题。首先,为解决低密度单元引起的伪屈曲模态和计算效率等问题,构建了单元刚度矩阵和应力矩阵的光滑惩罚函数,提出了解决低阶伪屈曲模态问题的综合措施。其次,结合Pian混合应力单元公式、凝聚函数法、Heaviside三场映射方案和柔顺度变化率约束措施,构建了考虑屈曲的无铰链多输入多输出柔性机构拓扑优化模型。而后,推导了目标函数和屈曲约束的灵敏度,并利用MMA(Method ofMoving Asymptotes)算法进行优化求解。最后,给出的数值算例,说明了此方法的可行性和有效性。     

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.     

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。     

混合型柔性铰链构型设计与柔度建模

通过将对称型柔性铰链进行分段和命名,提出一种基于柔性铰链基段和镜像段串联组合的混合型柔性铰链构型设计方法。基于卡式第二定理,将基段柔度建模转化成与其槽口形状函数有关的定积分问题。推导得到镜像段与其基段间的柔度映射和多段基段的柔度矩阵,进而构建出形式统一的两段混合型柔性铰链通用柔度和精度模型。选取圆锥曲线、矩形梁和棱台型基段类型,基于组合设计共获得96种新型混合型柔性铰链。结合具体算例和借助有限元验证理论模型的正确性,并对所设计和现有的柔性铰链构型性能统一进行评价分析。研究工作可为柔性铰链构型优选和特性评价提供理论指导。     

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。     

用JAVA语言处理AutoCAD图形数据的研究

JAVA语言在网络化CAD/CAM中具有其它高级语言不可替代的优势。在分析AutoCAD二维图形的DXF文件特征的基础上,详细讨论了用JAVA语言处理AutoCAD二维图形的方法,包括用JAVA语言提取DXF文件实体数据,并进行排序整理,然后用JAVA语言进行图形的二次显示,最后以事例说明了这种方法在CAD/CAM中的应用。     

以创新谋发展靠标准赢质量——访江苏常发集团农业装备公司品质部长廖汉平

记者：请对常发在拖拉机领域的发展做详细描述。您认为公司的核心竞争力是什么？     

山高: 以更强韧性 应对巨大的不确定性

2020年以来,新冠肺炎疫情全球大流行加速世界变局,全球市场萎缩打乱了经济全球化的.节奏。产业链、供应链在疫情之下受到了威胁,面对巨大的不确定性,山高展现出了更强的韧性。技术创新是山高的优势能力之一,即使在艰难的2020年,山高集团也没有停止产品研发的脚步,没有削减任何研发费用。2020年山高推出了全新的双面旋风刀片,具有先进的粗加工槽型,可以帮助用户减少甚至省略修整工序,同时功耗更低,大大节省单刃成本。Jetstream Tooling(JETI)刀杆扩展系列能在加工钢件、不锈钢和超合金材料时,让所有车削应用获得更长的刀具寿命和更好的切屑控制。优势产品在客户端获得积极反馈,MDT槽刀产品销量增长20.8%,三面刃铣刀增长27.5%。QC模块化接口刀杆荣获荣格技术创新奖。     

自制分度装置加工大型花键丝杠

我公司承制了吉马中板厂十一辊矫直机,其中在制造矫直机的压下装置时碰到一个难题。压下装置的功能是通过丝杠螺母的传动,将上工作辊压下和提起,从而完成钢板的矫直工作。压下装置的主要构件是压下丝杠(如图1所示),其主动端为10等分、键宽为30mm的矩形花键,从动端为S360×16-9e的锯齿形螺纹。此矩形花键长度为660mm,花键的对称度、尺寸精度、表面光洁度等要求都很高,如何保质、保量地加工出此花键成了制定工艺和加工的难题。1工艺分析此压下丝杠总长为1805mm,重量为1046kg,根据本公司设备的加工能力,此工件只能在X2012A龙门铣床上加工花键…     

Robots with increased number of degree-of-freedom with single exciting force

This paper presents the results of the development and investigation of a new class of novel multi-degree-of-freedom robots based on a new concept – the application of kinematic pairs with alternating degree-of-freedom (DOF) controlled by a single force or moment, changing its direction in space. The number of DOF of the kinematic pairs is controlled periodically from 0 to 3, exploiting the dependence of frictional forces on the oscillation in the contact zone of links. The advantages of this new class of robots include significant weight reduction, simple design and control, and specific applications in space robotics and soft robotic spines. In more complicated cases of trunk robots, elastic kinematic pairs are used with a number of DOF controlled by electro- or magneto-rheological fluids with viscosities that change as a result of applied electric or magnetic fields. Expressions for the generalized inertia matrix of the robots with a large number of joints have been derived using the computer algebra technique with the subsequent automatic program code generation. As shown in this paper, such an application could drastically reduce the number of floating point product operations for an efficient numerical simulation of robots.     

有创-无创序贯机械通气治慢性阻塞性肺疾病合并呼吸衰竭患者疗效

目的:观察应用有创-无创序贯机械通气方法治疗COPD合并呼吸衰竭患者的疗效。方法 :以2010年2月至2010年12月在我院接受治疗的慢性阻塞性肺疾病(COPD)合并呼吸衰竭76例患者为研究对象,随机分为2组。对照组行有创正压通气治疗,治疗组行有创机械通气达到切换点拔管后继续行无创序贯通气治疗。观察两组患者机械通气时间、住院时间、脱机成功率、呼吸机相关性肺炎(VAP)发生率等指标。结果 :治疗组与对照组的VAP发生率分别是3例(7.89%)和10例(26.31%),脱机成功率分别是36(94.73%)和30(78.94%),机械通气时间分别是(11.01±3.71)d和(14.77±3.53)d,总住院时间分别是(17.50±3.67)d和(20.32±4.15)d,2组各项指标差异有统计学意义P<0.05。结论 :在PIC窗指导下有创-无创序贯通气治疗,能显著减少通气时间,缩短住院时间,提高脱机成功率,降低VAP发生率,提高患者抢救成功率。     

Friction of Rubber with Surfaces Patterned with Rigid Spherical Asperities

This paper reports on the frictional properties of smooth rubber substrates sliding against rigid surfaces covered with various densities of colloidal nano-particles (average diameter 77 nm). Friction experiments were carried out using a transparent poly(dimethyl siloxane) (PDMS) rubber contacting a silica lens with silica nano-particles sintered onto its surface. Using a previously described methodology (Nguyen et al., J Adhesion 87:235?C250, 2011), surface shear stress and contact-pressure distribution within the contact were determined from a measurement of the displacement field at the surface of the PDMS elastomer. Addition of silica nano-particles results in a strong, pressure-independent enhancement of the frictional shear stress as compared to the smooth lens. The contribution of viscoelastic losses to these increased frictional properties is analyzed in the light of a numerical model that solves the contact problem between the rubber and the rough surface. An order-of-magnitude agreement is obtained between experimental and theoretical results, the latter showing that the calculation of viscoelastic dissipation within the contact is very sensitive to the details of the topography of the rigid asperities.     

双泵配蓄能器节能系统

采用双泵配蓄能器的节能装置以改进挤管机液压系统。     

对话塔海尔:China＆Vision--塔海尔集团上海首代江浩访谈

日前塔海尔集团决定将东北亚地区总部从香港转移到上海,2003年10月塔海尔集团上海代表处在上海正式成立,江浩出任首席代表并兼任塔海尔集团中国和韩国区域总监,近日江浩先生应邀作客本期GM论坛,与通用机械杂志社记者曾江、博乐做了互动交流。