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《汕头大学》 2005年
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柔顺机构的拓扑优化与驱动单元配置的集成设计研究

陈永健  
【摘要】:本文以国家自然科学基金项目(50375051)、教育部科学技术重点项目(104149)、广东省自然科学基金重点项目(036548)为依托,针对微定位和微操作技术中广泛应用的柔顺机构的设计问题,探讨了运用基于有限元法的连续体拓扑优化技术作结构优化的方法和驱动单元的配置优化问题,并应用此方法作实例设计与分析。本文主要包括以下几个方面的内容: 首先,考虑压电驱动单元与机构本体在耦合作用的情况下建立了设计域的有限元模型,比常用的简化模型更接近真实的状态,使后续的拓扑优化更趋合理;第二,运用基于有限元法的连续体拓扑优化技术和多目标函数建立了设计的优化模型,使机构的柔度与刚度的比例得以控制;第三,运用准则法进行柔顺机构的拓扑优化设计;第四,运用满应力法初步便捷地解决应力约束问题;第五,优化了驱动单元的位置和尺寸,使整个机构的优化设计更为完善;第六,在单输入单输出的拓扑优化技术的基础上,提出了多输入多输出的柔顺机构拓扑优化方法,为多自由度的柔顺机构的设计提供了参考方法;第七,提出了运用多目标函数技术来抑制输出耦合现象。在结构许可情况下,采用对称结构和组合输入的方法完全消除输出耦合现象,使多自由度的柔顺机构的控制更加容易;最后,编写优化程序,完成了柔顺位移放大器,多自由度的夹持器和多自由度微动平台的拓扑优化设计。既为这些微操作机构的设计提供了参考的拓扑结构形式,也同时证明了本文运用的优化方法的有效性。
【关键词】:柔顺机构 拓扑优化 多目标函数 密度法 微操作系统
【学位授予单位】:汕头大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TH112
【目录】:
  • 中文摘要2-3
  • 英文摘要3-4
  • 目录4-6
  • 第1章 绪论6-11
  • 1.1 选题背景6-8
  • 1.2 目前研究现状8-9
  • 1.3 本论文的主要研究内容9-11
  • 第2章 设计域有限元模型的建立11-18
  • 2.1 连续设计域的描述11
  • 2.2 设计域的有限元模型11-15
  • 2.3 驱动单元与机构设计域组成系统的有限元平衡方程15-17
  • 2.4 本章小结17-18
  • 第3章 单输入单输出的柔顺机构的拓扑优化与驱动单元的配置优化设计18-35
  • 3.1 单输入单输出的柔顺机构的拓扑优化18-25
  • 3.1.1 优化数学模型的建立18-21
  • 3.1.2 拓扑优化的计算方法21-23
  • 3.1.3 应力约束问题的解决23-24
  • 3.1.4 棋盘格过滤24-25
  • 3.2 驱动单元尺寸与位置的优化25-28
  • 3.3 实例设计28-34
  • 3.3.1 位移放大器的拓扑优化设计28-33
  • 3.3.2 柔顺机构的拓扑优化与驱动单元配置优化的算例33-34
  • 3.4 本章小结34-35
  • 第4章 多输入多输出的柔顺机构的拓扑优化设计35-51
  • 4.1 多输入多输出的拓扑优化数学模型的建立35-38
  • 4.2 输出耦合的抑制或消除的方法38-40
  • 4.2.1 利用多目标函数抑制输出耦合38-39
  • 4.2.2 利用对称结构和组合输入消除输出耦合39-40
  • 4.3 多输入多输出的柔顺机构拓扑优化设计的应用40-50
  • 4.3.1 多自由度的柔顺夹持器的拓扑优化设计40-45
  • 4.3.2 多自由度的柔顺微动平台的拓扑优化设计45-50
  • 4.4 本章小结50-51
  • 第5章 结论与展望51-53
  • 5.1 工作总结51-52
  • 5.2 未来工作展望52-53
  • 参考文献53-57
  • 作者在攻读硕士学位期间撰写的论文57-58
  • 致谢58

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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