平面全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

发布时间：2017-10-16 15:40

  本文关键词：平面全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

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【摘要】：全柔顺并联机构综合了柔性机构和并联机构两类机构特性，在先进制造、精密装备、纳米级定位以及生物工程等很多领域内的应用变得日益广泛。随着应用的发展，对平面不同构型的全柔顺并联机构的需求也日渐增多，使得平面全柔顺并联机构构型设计方面面临新的挑战。因此，引入简单的、实用的创新设计理论和方法已成为柔顺并联机构设计研究的新热点。 本文以平面全柔顺并联机构为研究对象，基于拓扑优化理论对平面全柔顺并联机构构型进行设计研究，并应用有限元软件对所设计的平面全柔顺并联机构进行分析，验证了将拓扑优化理论应用于平面全柔顺并联机构构型设计有效性。本文从以下几个方面做了探讨： （1）针对平面两自由度全柔顺并联机构进行设计，建立其材料插值方法（SIMP）拓扑优化模型，采用优化准则（OC）算法对该模型进行求解，应用过滤技术消除数值解中棋盘格和网格依赖病态问题。在后处理中采用图像光滑滤波技术对上述拓扑图进行处理，得到光滑的曲线边界。并采用有限元对该机构进行静力学分析，得出其运动特性满足设计要求，定量的验证了该方法的有效性。 （2）针对支链式平面三自由度全柔顺并联机构进行设计，建立其SIMP拓扑优化模型，采用优化准则（OC）算法对该模型进行求解，应用过滤技术消除数值解中棋盘格和网格依赖病态问题。在后处理中采用图像光滑滤波技术对上述拓扑图进行处理，得到光滑的支链式平面三自由度全柔顺并联机构轮廓边界。并采用有限元对该机构进行静力学分析，得出其为运动特性满足设计要求，定性的验证了该方法的有效性。 （3）针对平面三自由度并联机构进行了微分运动学分析，推导了其输入输出之间的映射关系，基于这种映射关系建立整体式全柔顺并联机构材料插值方法（SIMP）模型，采用改进的优化算法（OC）算法对其进行求解，应用过滤技术消除棋盘格和网格依赖数值解病态问题。在后处理中采用图像光滑滤波技术对上述拓扑图进行处理，，得到光滑的整体式平面三自由度全柔顺并联机构轮廓边界。并利用有限元软件对其进行静力学分析，得出基于微分运动分析下的柔顺并联机构微运动特性满足设计要求，定量验证了该方法的有效性。 本文以拓扑优化为工具，以平面全柔顺并联机构为研究对象，将平面全柔顺并联机构构型设计和拓扑方法以及性能分析有机的结合在一起，初步实现了平面全柔顺并联机构构型拓扑优化设计，从结构拓扑层面实现平面并联机构设计。
【关键词】：平面全柔顺并联机构 拓扑优化 密度惩罚材料模型 优化准则算法
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 引言9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 伪刚体设计方法10-11
• 1.2.2 约束设计方法11-13
• 1.2.3 拓扑优化设计方法13-17
• 1.3 研究背景及意义17-18
• 1.4 本文主要研究内容18-20
• 第二章 连续体拓扑优化理论20-35
• 2.1 拓扑优化模型建立20-23
• 2.1.1 结构优化概述20-22
• 2.1.2 参数化设计变量22-23
• 2.2 拓扑优化模型数值解法23-28
• 2.2.1 优化准则算法23-25
• 2.2.2 MMA 算法25-28
• 2.3 拓扑优化模型数值解中病态问题28-32
• 2.3.1 周长约束29-30
• 2.3.2 梯度约束30-31
• 2.3.3 过滤方法31-32
• 2.5 拓扑优化算例32-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第三章 基于拓扑优化理论平面两自由度全柔顺并联机构设计35-49
• 3.1 平面两自由度并连机构微分运动学分析35-37
• 3.1.1 平面两自由度并联机构说明和坐标系建立35-36
• 3.1.2 平面两自由度并联机构微分运动学分析36-37
• 3.2 基于拓扑优化平面两自由度全柔顺并联机构设计37-42
• 3.2.1 拓扑优化模型建立和求解37-42
• 3.3 平面两自由度全柔顺并联机构拓扑优化模型仿真42-43
• 3.4 平面两自由度全柔顺并联机构静力学特性分析43-48
• 3.4.1 平面两自由度全柔顺并联机构三维模型建立43-45
• 3.4.2 平面两自由度全柔顺并联机构静力学分析45-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 基于拓扑优化支链式平面三自由度全柔顺并联机构设计49-61
• 4.1 结构拓扑优化均匀化材料差值模型49-51
• 4.1.1 材料差值模型概述49
• 4.1.2 SIMP 插值模型49-51
• 4.2 拓扑优化中数值解法51-54
• 4.2.1 优化准则算法51-53
• 4.2.2 过滤方法53-54
• 4.3 基于拓扑优化支链式平面三自由度柔顺并联机构设计54-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 基于拓扑优化整体式平面三自由度全柔顺并联机构设计61-74
• 5.1 平面3-RRR 并联机构微位移分析61-63
• 5.2 整体式平面三自由度全柔顺并联机构拓扑优化设计63-68
• 5.2.1 平面三自由度全柔顺并联机构整体式拓扑优化 SIMP 模型63-65
• 5.2.2 敏度分析65-67
• 5.2.3 优化模型求解67
• 5.2.4 过滤过程67-68
• 5.3 整体式平面三自由度全柔顺并联机构拓扑优化设计工况68
• 5.4 整体式平面三自由度全柔顺并联机构仿真结果分析68-73
• 5.5 本章小结73-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74
• 6.2 展望74-76
• 参考文献76-79
• 致谢79-80
• 攻读学位期间的研究成果80-81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1043535