3-PRR全柔顺并联机构的水平集多目标拓扑优化设计及灵敏度分析

采用同构映射和微分运动学原理并基于显式运动副的传统3-PRR型并联机构,推导其微运动Jacobian矩阵。基于水平集方法,定义柔度最小化为优化目标函数,以微运动Jacobian矩阵为输入、输出映射的运动约束,以优化前后的材料体积分数为优化约束,构建3-PRR全柔顺并联机构的优化模型,运用Opti Struct优化求解器,求解出3-PRR全柔顺并联机构的最佳构型和设计灵敏度。研究表明:所设计的3-PRR全柔顺并联机构与传统3-PRR型并联机构具有一致的微运动特性,优化结果的柔度值达到最小化的同时,能有效地消除应力集中现象。该理论分析和仿真优化对平面乃至空间弹性微变形机构,甚至是智能蠕动机构的最佳构型设计具有切实可行的意义。     

3-UPU柔顺并联机构构型拓扑优化设计与实验测试

目的为了设计出具有x,y和z方向纯平动的微纳级精密定位装置。方法首先,运用旋量与逆螺旋理验证所设计的传统3-UPU并联机构运动特性;采用封闭矢量映射原理构建3-UPU并联机构的微分Jacobian,实现各关节与动平台的空间映射关系。然后,定义优化问题的目标函数为结构刚度,约束函数为体积比,运动特性条件为微分Jacobian构造3-UPU柔顺并联机构的SIMP模型,并运用优化算法计算。最后,基于Ossmooth对优化构型进行CAD模型的提取,完成运动特性的力学仿真分析,此外,通过3D打印制造处理后的CAD模型,并完成运动特性的实验测试。结果仿真可得,优化后的构型柔度值从58.324 mm/N下降到25.993 mm/N;一阶固有频率从964.64 Hz提高到1362.26 Hz;沿x,y和z方向的微运动特性分别达到2.488,6.512,9.185μm;3-UPU柔顺并联机构优化构型的微运动特性与理论解处于同一微米级,并运用实验测试进行了验证。结论拓扑优化设计的构型具有微米级运动特性和微米定位精度,实验测试结果验证了该优化技术的可行性。