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结构与柔性机构拓扑优化

结构设计过程通常是在方案比较基础上确定结构布局(拓扑形式)后,详细设计零部件的尺寸和形状。形状和尺寸优化通过设计部件尺寸和边界形状实现在一定结构布局下的性能优化。结构布局决定了力、热等的传输路径以及运动方式,布局对结构性能的影响更重要。拓扑优化通过设计材料在一定区域内的合理布置,在设计结构形状和尺寸的同时设计结构的布局,能够获得比形状和尺寸优化更大的优化效益,因而成为优化研究者和工程师广泛关注的问题。由于拓扑描述以及问题求解等方面的困难,拓扑优化也成为优化研究的挑战性课题。目前的研究主要针对结构刚度、自振频率等性能优化问题,建立了基于微结构的拓扑描述方法(包括均匀化化方法、SIMP方法等)以及边界移动方法(几何方法)(包括泡泡法,拓扑导数方法等)。新发展的水平集方法也属于边界移动方法。应用或建立了数学规划法、遗传算法、进化算法等拓扑优化问题的求解技术。科学技术的发展要求结构在满足安全性要求的同时还应具有良好的热、电磁等其他物理性  (本文共168页) 本文目录 | 阅读全文>>

大连理工大学
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柔性机构拓扑优化方法及其在微机电系统中的应用

柔性机构是一种依靠构件自身弹性变形来输出全部或部分运动、力和能量的新型装置。由于柔性机构为无铰链机构,因而具有无运动间隙和无摩擦磨损等优点,在微机电系统、精密定位机构和智能结构等领域有广阔的应用前景。本文对柔性机构的拓扑优化设计方法进行了系统的研究,并应用该方法设计制造夹持毛细管的压电式微夹钳和电热驱动的二维微执行器。针对连续体结构拓扑优化中出现的棋盘格式等数值计算不稳定性现象,本文提出了一种以节点密度作为设计变量的优化方法,它确保了设计区域内的密度场函数具有C_0连续性,从拓扑优化数学模型描述的本质上克服了棋盘格式问题。算例表明该方法能够有效消除拓扑优化中的棋盘格和网格依赖等数值计算不稳定性现象,而且计算量小于滤波方法,具有良好的实用价值。基于互能原理,建立了以互能和应变能比值作为目标函数的柔性机构拓扑优化数学模型,推导了基于节点密度法的柔性机构敏度计算的解析表达式。对热致动器这一多物理场拓扑优化问题进行了研究,建立了相应的数...  (本文共127页) 本文目录 | 阅读全文>>

武汉科技大学
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基于仿生学的免装配柔性夹钳设计方法研究

免装配设计具有简化结构、减小体积和质量、无需装配等诸多优点,具有广阔的发展前景。3D打印技术的兴起为免装配设计带来了新的发展机遇,免装配设计理论与方法研究显得更为迫切。本文提出了免装配柔性机构的型综合方法,研究了基于变密度法的柔性机构拓扑优化技术,利用基于拓扑结构优化的免装配设计方法和基于刚性机构柔性化的免装配设计方法对柔性夹钳进行了免装配设计。论文的主要研究内容如下:(1)对柔性机构的型综合方法进行了研究。针对运动副、运动链及机构进行了免装配设计。按照刚性运动副的五级划分,将每一级的刚性运动副转化为相应的柔性铰链。在此基础上提出了两种免装配柔性机构型综合方法。(2)研究了变密度法拓扑优化技术。建立了拓扑优化模型,采用了SIMP法、RAMP法和“四舍五入”法三种变密度法拓扑优化方法对算例模型进行了求解,比较了三种方法的优缺点,为二维柔性夹钳的设计提供了理论依据。(3)设计了一种二维免装配柔性夹钳。采用变密度法对二维柔性夹钳进行了...  (本文共71页) 本文目录 | 阅读全文>>

北方工业大学
北方工业大学

全柔性机构及其在仿蚯蚓移动机器人中的应用研究

全柔性机构是一类通过自身的弹性变形来传递或转换运动、力或能量的特殊机构。由于全柔性机构中没有刚性副的连接,易于一体化制造、机构无缝隙和摩擦、运动精度较高等诸多优点,在微小型仿生机器人领域中具有广泛的应用前景。本文探索将全柔性机构应用于仿生机器人机构设计中。第一章收集整理柔性机构基本知识、特点并对其进行了分类,系统研究了当前全柔性机构的设计方法。分析了当前国内外仿蚯蚓移动机器人研究现状,提出将全柔性机构应用于仿蚯蚓移动机器人设计中。第二章在分析蚯蚓的生物学运动原理,归纳了当前国内外研究的仿蚯蚓移动机器人移动方式和原理的基础上,提出了一种基于平面摩擦移动的机器人运动规划,并作了具体运动原理分析。从机器人的运动规划可以看出,在整个仿蚯蚓移动机器人中,柔性单元体是最重要的部分,也是机器人设计的重点部分。仿蚯蚓移动机器人属于微小型机器人,整体尺寸较小,经综合研究考虑选用压电陶瓷作为驱动器。由于驱动器选用压电陶瓷,输出位移只有微米级,因此考...  (本文共84页) 本文目录 | 阅读全文>>

华中科技大学
华中科技大学

基于变密度法的柔性机构拓扑优化设计及其后处理方法研究

柔性机构通过弹性形变传动的特点,使其拥有不依赖传动副、结构小型化等等刚性机构不可比拟的优势,因而被广泛应用于航空航天、微机电系统等高精尖领域。拓扑优化技术在柔性机构结构设计中的应用,使其摆脱了以往过分依赖人工经验的格局,让柔性机构设计系统化、科学化,具有重大的应用价值与研究意义。但柔性机构的拓扑优化过程中容易出现单点铰链问题,造成应力集中,使柔性机构发生断裂失效;另一方面,现有的拓扑优化技术得到的柔性机构优化结果往往与工程实际相脱节,模型提取较为困难,不具备良好的可制造性。因此,现阶段该技术领域中存在的最亟需克服的问题是,在优化过程中尽可能的避免出现单点铰链情况,同时使所进行的拓扑优化结果尽可能的更靠近实际工程应用,满足其可制造性的要求。本论文研究系统地分析了国内外有关柔性机构拓扑优化的相关研究成果,同时结合本研究要解决的问题,着重分析了单点铰链以及优化结果的后处理等方面的问题,本研究工作主要从如下几个方面展开:首先,深入了解柔...  (本文共70页) 本文目录 | 阅读全文>>

华中科技大学
华中科技大学

基于无网格法的柔性机构拓扑优化方法研究

连续体拓扑优化方法是一种高效的柔性机构设计方法,而目前的柔性机构拓扑优化方法基本是基于有限元方法的,有限元方法易产生基于网格的局部近似误差,并在处理诸如大变形等问题时,容易出现网格畸变等现象,使得求解困难或产生错误。无网格法只利用点离散问题域,摆脱了单元的束缚,精度较高,并解决了有限元方法在某些特殊领域应用的缺陷。因此,本文深入研究了无网格法和柔性机构拓扑优化的基础理论,将无网格伽辽金法引入柔性机构的拓扑优化设计中,并对相关技术进行了讨论和研究。本文较系统地研究了无网格伽辽金法。在保证解的精度的基础上,简化了Lagrange法施加本质边界条件过程。讨论了节点分布对无网格法中形函数矩阵性质的影响,提出了节点支撑域的选择方法,有效避免了矩阵计算奇异问题。同时对载荷进行分类,分别采用不同的施加方法。并用实例验证了无网格法求解几何非线性问题的优势。将无网格法引入到连续体结构拓扑优化方法中。利用无网格伽辽金法进行了优化过程中的线性和非线性...  (本文共159页) 本文目录 | 阅读全文>>