基于虚拟样机技术的柔性放大机构创新设计.pdfVIP

基于虚拟样机技术的柔性放大机构创新设计* 1 1 1 2 赵燕伟 , 温思炜 , 周鹏 , 李增芳 (1 浙江工业大学机械制造自动化教育部重点实验室：310014杭州市朝晖六区 2 浙江省水利水电专科学校：310018 杭州市下沙高教园区) 摘要: 柔性机构是利用组成元素间的相对柔性来获得运动或力的一类机构。本论文从微小型柔性结构设计这一当 前微型机械研究领域的热点出发，探讨了利用结构拓扑优化方法设计柔性结构的具体方法。论文以有限元法为工具， 根据柔性结构设计的具体情况，提出利用多目标优化的方法建立模型进行求解，并对优化结果进行运动学虚拟仿真， 取得了较好的设计结果。 关键词: 拓扑优化; 微型柔性机构; 运动放大; 虚拟仿真 1 引言 在机构学中, 柔性机构是一类全新的机构, 是一种 期望输出力/位移 依靠构件的弯曲、变形或弹性来产生运动、传递能量或 柔性机构 力的机构，其重要的应用之一是可作为精密驱动系统中 的运放机构。在微机电控制，显微手术，航天技术等领 域对执行机构都要求有很小的分辨率及相对很大的工作 输入力/位移 行程。为了达到较好的输入精度与较大的输出，一般采 图 1 柔性机构模型 用驱动器与执行器之间有一个放大机构的方案[1]。而这一 放大机构越来越多地采用柔性机构，因此，柔性机构的 2.1 柔性机构的优化模型 结构设计就成为整个系统的关键。目前，应用拓扑优化 拓扑优化问题的演义在模型上主要取决于所取目标 的方法对柔性机构进行优化设计已成为研究热点。 函数和约束条件的不同组合，设计变量的选取也是一个 柔性结构的设计不仅要求其能产生一定的形变以满 重要的方面。国内学者在这方面做了大量研究:左正兴等 足其设计的运动要求，同时须通过其结构传递一个力作 以结构弹性模量E为设计变量，对二维连续体拓扑优化设 为机构的输出力。如果设计时只追求输出端变形量，结 计进行了研究[2][3] :大连理工大学以材料密度为设计变量 构本身可能由于刚性太差而不能承受额定的载荷；另一 的密度法能有效地应用于应力约束问题[7] ;目标函数有以 方面，若设计时为传递力而只注重于提高结构的整体刚 传统的最小重量min W;不少研究者以最小变形能minU， 性，则为达到设计所需的形变量必须施加以较大的输入 如宋天霞等对复杂板壳选型，左正兴等对二维连续体;目 力，导致了效率下降。因此柔性结构的设计是一个多目 标函数为极大熵也是一种较新的提法。 标优化问题。 2.2 柔性机构的优化算法 2 柔性机构设计模型 目前应用于拓扑优化中的数值算法包括优化准则法 通过分析诸多领域的柔性机构的设计，我们把设计 (又称OC方法) 、凸线性化方法(又称CONL IN 方法) 、 内容抽象成为图（1）所示的情形。在很多情况下，柔性 移动渐进算法(MMA 方法) 等。 机构总是对输入的力或者位移进行变换，包括缩小和放 OC 方法一般适用于单目标、单约束条件下的优化 大，从而达到设计者需要的工作要求。根据不同的使用 问题求解,很少使用敏度分析信息,计算速度快,并且计算 场合，柔性机构可以选择二维或者是三维的结构形式， 规模与求解变量的数目无关。MMA 算法由