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柔顺机构拓扑构型综合及力学特性研究

柔顺机构拓扑构型综合及力学特性研究

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作者：梁恺贤广州大学

学位级别：硕士

柔顺机构拥有无间隙、无摩擦磨损、高精度等特点,作为微纳尺度执行构件广泛应用于微纳加工、精细操作、精密传感等领域。拓扑优化方法是目前柔顺机构构型综合所采用的方法之一,然而拓扑优化与机构学的融合机理尚未清晰,难以获得具有确... 详细信息

柔顺机构拥有无间隙、无摩擦磨损、高精度等特点,作为微纳尺度执行构件广泛应用于微纳加工、精细操作、精密传感等领域。拓扑优化方法是目前柔顺机构构型综合所采用的方法之一,然而拓扑优化与机构学的融合机理尚未清晰,难以获得具有确定性能的柔顺机构。基于此,本文提出了两种考虑柔顺机构力学特性的拓扑优化设计方法,主要开展了以下研究工作:(1)针对柔顺机构力学特性定量化设计问题,提出基于增广拉格朗日乘子法(Augmented Lagrangian Method,ALM)的固体各向同性材料惩罚插值(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)算法框架。通过引入拉格朗日乘子和罚因子,将等式约束的拓扑优化问题转化为无约束最优化问题,进而采用移动渐近线法(Method of Moving Asymptotes,MMA)求解该问题。(2)提出了一种基于空间刚体机构恒运动传递特性的柔顺机构拓扑优化设计方法。分析具有恒运动传递特性的空间刚体机构运动学特性,将其恒运动传递特性作为性能约束,通过求解该拓扑优化问题得到柔顺机构,仿真和实验验证了该柔顺机构与原型机构具有运动同构性。(3)针对微观微结构-宏观机构之间力学联系不清晰问题,提出了一种宏-微观尺度柔顺机构拓扑优化设计方法。采用柔度矩阵因子建立微观微结构和宏观机构之间的内在联系,揭示了微观微结构种类和排列组合方式对宏观机构力学性能的作用机理。在宏微观尺度进行拓扑优化以实现设计具有规定力学特性的柔顺机构。宏观尺度:以柔度矩阵因子作为性能约束,通过求解该拓扑优化问题得到具有规定力学性能的宏观机构自由材料分布问题;微观尺度:采用逆均匀化拓扑优化方法,得到满足宏观机构材料要求的多种微结构,进而通过排列组合得到最终优化结果。通过单输入单输出柔顺机构、多输入单输出力学特性耦合柔顺机构和多输入多输出力学特性完全解耦柔顺机构三种数值算例,验证了所提出方法的有效性,并获得具有任意规定力学特性的柔顺机构定量设计方法。

关键词：柔顺机构拓扑优化固体各向同性材料惩罚插值法宏微观尺度拓扑优化逆均匀化拓扑优化

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