轨迹输出平面柔顺机构的轮廓提取与形状优化方法研究

发布时间：2020-06-06 14:49

【摘要】： 柔顺机构是近年来国内外在机构学领域的研究热点之一。由于它具有的无运动间隙、无磨损、无需装配等许多刚性机械不具备的特性,在航空航天、微机电系统、生物医学等众多高科技领域获得了广泛的应用。柔顺机构是一种依靠自身的部分或全部具有柔性的构件变形来输出运动或力的机构,它的设计理念及方法与传统的刚性机械设计方法有很大的不同,至今未形成系统完整的设计方法,本文针对这一问题,在国家自然科学基金和国家863计划项目的支持下,提出了轨迹输出平面柔顺机构的一整套设计方法。 本文在连续体结构力学中的拓扑优化方法基础上,研究平面柔顺机构拓扑优化结果的轮廓提取和形状优化方法,以形成柔顺机构从设计要求的提出到可加工形状的生成的一套完整设计方法。主要工作包括:(1)分析了柔顺机构拓扑优化和形状优化的研究现状,分析了目前柔顺机构的研究重点、主要成果和尚未解决的问题;(2)分析了基于SIMP的柔顺机构概念设计方法及其相关工具和模型;(3)针对柔顺机构轮廓提取的特殊要求,提出了密度等值线法的改进方案,对密度函数插值点密度值进行优化,提出优化模型和选择优化算法;(4)根据轨迹输出平面全柔顺机构自身的形状特点,提出了轨迹输出平面全柔顺机构的抽象方法,即应用拓扑学上的连通性原理将柔顺机构抽象成杆件和结点形式,并对相应的数学原理进行了证明;(5)提出了平面全柔顺机构的形状还原和尺寸优化方法,对抽象的柔顺机构进行还原,将其轮廓还原成简单曲线的连接,从而建立尺寸优化模型,对机构进行尺寸优化设计,在得到可加工的机构轮廓的同时又能对关键部位进行特别处理;(6)进行了柔顺机构的数值仿真设计,并将所得设计结果导入商用有限元软件中进行仿真实验,证明了设计方法的可行性和有效性。 上述工作表明,本文的优化设计方法可以整合平面柔顺机构的拓扑优化和形状优化设计,并在微机电系统的执行机构设计方面有着广阔的应用前景。
【图文】：

构件变形来输出运动或力的机构。它是机构与结构的综合，，既能实现运动和力的输出又具备足够的强度来承受一定的载荷。柔顺机构（Compliant Mechanisms）起源于 Burns 和 Crossley[3]在 1968 年对弹性连杆机构的研究。而现代柔顺机构的概念明确提出于 1987 年。如图 1 所示，柔顺机构根

13图 2-1 四节点平面矩形单元Fig. 2.1 The four nodes planar rectangular element度矩阵正定，四个节点①( )1 1x ,y 、② ( )2 2x ,y 、单元内部点的变形与四个节点相关联，通过位3 43 4a y a xy y b xy++对应的代入式(2-3)可以求得1a 、2a 、3a 、4a 、
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH112

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本文编号：2699839