柔性機構拓撲優(yōu)化方法及其在微機電系統(tǒng)中的應用.pdf

1、柔性機構是一種依靠構件自身彈性變形來輸出全部或部分運動、力和能量的新型裝置。由于柔性機構為無鉸鏈機構，因而具有無運動間隙和無摩擦磨損等優(yōu)點，在微機電系統(tǒng)、精密定位機構和智能結構等領域有廣闊的應用前景。本文對柔性機構的拓撲優(yōu)化設計方法進行了系統(tǒng)的研究，并應用該方法設計制造夾持毛細管的壓電式微夾鉗和電熱驅動的二維微執(zhí)行器。 針對連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化中出現(xiàn)的棋盤格式等數(shù)值計算不穩(wěn)定性現(xiàn)象，本文提出了一種以節(jié)點密度作為設計變量的優(yōu)化方法，

2、它確保了設計區(qū)域內(nèi)的密度場函數(shù)具有C0連續(xù)性，從拓撲優(yōu)化數(shù)學模型描述的本質(zhì)上克服了棋盤格式問題。算例表明該方法能夠有效消除拓撲優(yōu)化中的棋盤格和網(wǎng)格依賴等數(shù)值計算不穩(wěn)定性現(xiàn)象，而且計算量小于濾波方法，具有良好的實用價值。 基于互能原理，建立了以互能和應變能比值作為目標函數(shù)的柔性機構拓撲優(yōu)化數(shù)學模型，推導了基于節(jié)點密度法的柔性機構敏度計算的解析表達式。對熱致動器這一多物理場拓撲優(yōu)化問題進行了研究，建立了相應的數(shù)學模型，運用伴隨矩陣法

3、完成敏度分析。應用節(jié)點密度法對典型算例進行了拓撲優(yōu)化計算，計算結果表明不需要借助濾波處理，節(jié)點密度法就能夠得到具有清晰拓撲結構的優(yōu)化結果，真實地反映了機構的結構細節(jié)。 利用所研究的柔性機構拓撲優(yōu)化求解理論和算法，設計研制了用于夾持毛細玻璃管的壓電驅動式微夾鉗，并對其進行了實驗測試。實驗結果表明，實驗值與有限元計算值有較好的吻合性，位移和夾持力與控制電壓呈良好的線性關系。 利用多工況柔性機構拓撲優(yōu)化方法設計了可用于微平臺的