柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法及其在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、柔性機(jī)構(gòu)是一種依靠構(gòu)件自身彈性變形來輸出全部或部分運(yùn)動(dòng)、力和能量的新型裝置。由于柔性機(jī)構(gòu)為無鉸鏈機(jī)構(gòu)，因而具有無運(yùn)動(dòng)間隙和無摩擦磨損等優(yōu)點(diǎn)，在微機(jī)電系統(tǒng)、精密定位機(jī)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)柔性機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)制造夾持毛細(xì)管的壓電式微夾鉗和電熱驅(qū)動(dòng)的二維微執(zhí)行器。 針對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中出現(xiàn)的棋盤格式等數(shù)值計(jì)算不穩(wěn)定性現(xiàn)象，本文提出了一種以節(jié)點(diǎn)密度作為設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化方法，

2、它確保了設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的密度場函數(shù)具有C0連續(xù)性，從拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)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?fù)鋬?yōu)化中的棋盤格和網(wǎng)格依賴等數(shù)值計(jì)算不穩(wěn)定性現(xiàn)象，而且計(jì)算量小于濾波方法，具有良好的實(shí)用價(jià)值。 基于互能原理，建立了以互能和應(yīng)變能比值作為目標(biāo)函數(shù)的柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了基于節(jié)點(diǎn)密度法的柔性機(jī)構(gòu)敏度計(jì)算的解析表達(dá)式。對(duì)熱致動(dòng)器這一多物理場拓?fù)鋬?yōu)化問題進(jìn)行了研究，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用伴隨矩陣法

3、完成敏度分析。應(yīng)用節(jié)點(diǎn)密度法對(duì)典型算例進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明不需要借助濾波處理，節(jié)點(diǎn)密度法就能夠得到具有清晰拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果，真實(shí)地反映了機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。 利用所研究的柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化求解理論和算法，設(shè)計(jì)研制了用于夾持毛細(xì)玻璃管的壓電驅(qū)動(dòng)式微夾鉗，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)值與有限元計(jì)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(guān)系。 利用多工況柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)了可用于微平臺(tái)的