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等几何拓扑优化非齐次边界条件施加技术研究

中国机械工程 2024年

作者：王书亭谢晴天杨奥迪李小兵熊体凡谢贤达华中科技大学机械科学与工程学院南昌大学先进制造学院

由于非均匀有理B样条（NURBS）基函数缺乏插值性，导致等几何拓扑优化方法无法直接在控制顶点处施加非齐次边界条件。针对上述问题，本文首先介绍了面向等几何分析的两类非齐次边界条件处理方法，通过强施加方法和弱施加方法两个角度分... 详细信息

由于非均匀有理B样条（NURBS）基函数缺乏插值性，导致等几何拓扑优化方法无法直接在控制顶点处施加非齐次边界条件。针对上述问题，本文首先介绍了面向等几何分析的两类非齐次边界条件处理方法，通过强施加方法和弱施加方法两个角度分别对边界条件施加的精度进行提升。随后，数值算例结果验证了前述方法在等几何分析非齐次边界条件施加过程的可行性。最后，将前述方法嵌入至等几何拓扑优化流程，创新性地提出惩罚因子自适应的非齐次边界条件处理方法，提高了等几何拓扑优化求解的精度，进一步论证了本文方法的有效性。

关键词：等几何拓扑优化非齐次边界条件边界配点法自适应罚函数法

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基于高导热性能微结构的等几何拓扑优化

计算机辅助设计与图形学学报 2024年

作者：刘健力范洪硕聂涛余金桂王书亭夏兆辉华中科技大学机械科学与工程学院/智能制造装备与技术全国重点实验室武汉理工大学机电工程学院

针对多尺度拓扑优化难以实现非规则设计域的结构设计等问题，提出一种基于高导热性能微结构的等几何拓扑优化方法. 在微观尺度，针对多尺度拓扑优化中常用的微结构优化其导热性能，并通过调整导热系数权重预先设计出具有更优导热性... 详细信息

针对多尺度拓扑优化难以实现非规则设计域的结构设计等问题，提出一种基于高导热性能微结构的等几何拓扑优化方法. 在微观尺度，针对多尺度拓扑优化中常用的微结构优化其导热性能，并通过调整导热系数权重预先设计出具有更优导热性能的结构，在保证较高设计自由度的同时降低计算成本; 在宏观尺度，以最小热柔度为优化目标构建基于优化后微结构的等几何拓扑优化数学描述模型，结合灵敏度分析方案更新宏观设计变量得到最终多尺度结构，在等几何分析中精确模型的基础上提高计算精度，保证最终多尺度结构单元间的高阶连续性. 经典矩形和二维/三维半圆环散热结构的优化结果表明，所提方法可得到导热柔度最大降低7.97%的多尺度结构，有效地提高其导热性能; 适用于非规则结构的不同边界条件，对复杂设计域的导热拓扑优化设计具有较好的通用性.

关键词：等几何拓扑优化多尺度导热性能

基于双环自适应滑模的移动机器人轨迹跟踪控制

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合肥工业大学学报（自然科学版） 2024年第1期47卷 13-20页

作者：张鑫秦东晨谢远龙王书亭华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074 郑州大学机械与动力工程学院河南郑州450001 武汉工程大学智能机器人湖北省重点实验室湖北武汉430074

为了提升移动机器人轨迹跟踪精度,针对传统双环控制内外环协调性差、抗扰性弱的问题,文章提出双环自适应滑模的控制方法。为消除传统滑模控制(sliding mode control, SMC)方法中的趋近阶段,设计新型时变积分终端滑模控制器以保证系统状... 详细信息

为了提升移动机器人轨迹跟踪精度,针对传统双环控制内外环协调性差、抗扰性弱的问题,文章提出双环自适应滑模的控制方法。为消除传统滑模控制(sliding mode control, SMC)方法中的趋近阶段,设计新型时变积分终端滑模控制器以保证系统状态始终位于滑模面,并通过控制器参数调节实现内环姿态误差和外环位置误差的快速收敛;构建基于势垒函数的增益调控方法,保证在扰动上界未知的情况下有效地抑制状态抖振,提高轨迹跟踪系统的抗干扰能力。对所提方法进行的验证分析结果表明,相较于现有的双环控制方法,该文轨迹跟踪控制方法精度更高、鲁棒性更强。

关键词：移动机器人轨迹跟踪双环自适应滑模控制(SMC) 势垒函数

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考虑点云骨架特征的未知物体六自由度抓取

合肥工业大学学报（自然科学版） 2024年第7期47卷 870-878页

作者：吴航谢远龙王书亭魏棋斌熊体凡华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

针对机械臂在非结构化环境下对未知物体生成稳定抓取位姿困难的问题,文章提出一种基于点云骨架特征的未知物体六自由度抓取方法。首先,通过深度相机获取包含物体的场景单视角点云,并在物体表面随机采样得到初始采样点,设计考虑L1中值骨... 详细信息

针对机械臂在非结构化环境下对未知物体生成稳定抓取位姿困难的问题,文章提出一种基于点云骨架特征的未知物体六自由度抓取方法。首先,通过深度相机获取包含物体的场景单视角点云,并在物体表面随机采样得到初始采样点,设计考虑L1中值骨架提取的迭代移动采样算法,保证抓取点最终均匀排布在物体的骨架上;然后,利用骨架点的分布信息和骨架点周围点云的几何信息生成候选抓取位姿,根据抓取器与物体之间的位置关系,使用启发式评价函数评估抓取位姿,从而保证位姿的最优化采样;最后,对不同形状的物体进行仿真实验和实际抓取试验。测试结果表明,文章所提方法可以对常见物体生成稳定的抓取位姿,并能有效拓展到更多形状复杂的未知物体。

关键词：非结构化环境六自由度抓取点云骨架特征几何信息启发式评价函数

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基于脊线自修正的蛇形机械臂逆运动学求解

机械设计 2024年第1期41卷 1-8页

作者：张鸿洋李虎王书亭谢远龙华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074 广东智能机器人研究院广东东莞523808

绳索驱动的蛇形机械臂具有超冗余的运动特性,提高了自身的灵活性及避障能力。但由于机械臂存在大量的自由度,这使得其逆运动学求解变得非常复杂,导致难以实现实时运动规划。因此,文中提出了一种新型的蛇形机械臂逆运动学求解方法,通过... 详细信息

绳索驱动的蛇形机械臂具有超冗余的运动特性,提高了自身的灵活性及避障能力。但由于机械臂存在大量的自由度,这使得其逆运动学求解变得非常复杂,导致难以实现实时运动规划。因此,文中提出了一种新型的蛇形机械臂逆运动学求解方法,通过优化脊线及关节角度求解,实现了机械臂高效和实时的运动规划。首先,搭建了蛇形机械臂运动学模型,建立了蛇形机械臂关节空间与工作空间的映射关系;之后,提出了基于多种群蚁群优化的参考脊线求解策略,并设计了移位修正法确定多任务点脊线的空间构型,减少了脊线复杂求解的计算。此外,通过考虑拟合信息和关节约束,设计了一种结合并行趋近式规则的关节优化调整方法,推导出了蛇形机械臂的关节角度,实现了关节的连续性变化。结果表明:所提出的逆运动学求解方法可以有效降低计算复杂度,保证关节角度的有效性和连续性,以及末端位姿信息的精确性。

关键词：蛇形机械臂逆运动学超冗余脊线

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基于均匀化理论的拓扑优化算法研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2004年第10期32卷 25-27,30页

作者：王书亭左孔天华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

在研究均匀化理论和拓扑优化理论基础上 ,推导了复合材料的均匀化求解方程 ,并将均匀化理论应用于拓扑优化中。

关键词：均匀化理论拓扑优化求解算法算法研究复合材料二维拓扑优化

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一种基于均匀化理论的拓扑优化准则法

华中科技大学学报（自然科学版） 2004年第10期32卷 28-30页

作者：王书亭左孔天华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

推导了用于拓扑优化的准则法 ,给出了基于均匀化理论的拓扑优化迭代分析流程 ;编制了基于均匀化理论的二维拓扑优化程序。

关键词：均匀化理论数值算例拓扑优化维数二维迭代准则正确性

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机械固定结合面刚度特性建模

华中科技大学学报（自然科学版） 2011年第8期39卷 1-5页

作者：王书亭李杰刘涛毛宽民华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

针对机械结合面G-W接触模型和M-B接触模型存在的不足,基于分形理论,提出一种能描述2粗糙面接触的配对几何粗糙特性的法向刚度力学模型.该模型在几何尺寸上独立,给出了结合面面压与刚度的解析解,能有效求解结合面配对接触的法向刚度.根... 详细信息

针对机械结合面G-W接触模型和M-B接触模型存在的不足,基于分形理论,提出一种能描述2粗糙面接触的配对几何粗糙特性的法向刚度力学模型.该模型在几何尺寸上独立,给出了结合面面压与刚度的解析解,能有效求解结合面配对接触的法向刚度.根据应变能相等的原则,把结合面法向刚度和切向刚度折合成连续体的材料属性,建立了描述结合面特性的虚拟材料模型,试验证明了该方法的有效性.

关键词：固定结合面接触力学模型刚度特性等效虚拟材料分形理论

基于能量法的C^2连续过渡曲面造型方法研究

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华中科技大学学报（自然科学版） 2004年第1期32卷 4-6页

作者：王书亭吴义忠华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

在研究过渡曲面构造方法基础上 ,提出了一种基于能量法的C2 连续过渡曲面的造型方法 ,重点讨论了变形过渡曲面能量优化模型的建立、过渡曲面的边界约束及过渡曲面与原曲面间C2

关键词： C^2连续曲面过渡能量优化法