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

1、柔性機構(gòu)是一種依靠構(gòu)件自身彈性變形來輸出全部或部分運動、力和能量的新型裝置。由于柔性機構(gòu)為無鉸鏈機構(gòu)，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(gòu)和智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本文對柔性機構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法進行了系統(tǒng)的研究，并應(yīng)用該方法設(shè)計制造夾持毛細(xì)管的壓電式微夾鉗和電熱驅(qū)動的二維微執(zhí)行器。 針對連續(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(shè)計變量的優(yōu)化方法，

2、它確保了設(shè)計區(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(yīng)變能比值作為目標(biāo)函數(shù)的柔性機構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了基于節(jié)點密度法的柔性機構(gòu)敏度計算的解析表達(dá)式。對熱致動器這一多物理場拓?fù)鋬?yōu)化問題進行了研究，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，運用伴隨矩陣法

3、完成敏度分析。應(yīng)用節(jié)點密度法對典型算例進行了拓?fù)鋬?yōu)化計算，計算結(jié)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果，真實地反映了機構(gòu)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。 利用所研究的柔性機構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化求解理論和算法，設(shè)計研制了用于夾持毛細(xì)玻璃管的壓電驅(qū)動式微夾鉗，并對其進行了實驗測試。實驗結(jié)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(guān)系。 利用多工況柔性機構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計了可用于微平臺的