基于自适应约束的柔性机构拓扑优化设计技术研究

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利用拓扑优化方法设计柔性机构的研究工作是柔性机构研究的热门方向之一。现有拓扑优化方法还存在着易于导得含有单个铰链连接的最优拓扑机构构型的问题,该单铰链连接问题不仅会导致设计的柔性机构制造难度增大,而且会劣化柔性机构性能和功能。针对柔性机构拓扑优化存在的单铰链连接问题,研究基于自适应约束的柔性机构拓扑优化设计技术具有重要的理论意义和工程应用价值。首先,基于现有SIMP方法,构建了一种可行域调整的SIMP方法,即FDA-SIMP方法,并构建了一种能表征柔性机构输入端和输出端的综合刚度特性的柔性机构的综合柔顺度函数。结合几个算例,研究了在以上两种方法的优化过程中柔性机构拓扑构型及其特性的变化规律,并分析了这两种方法产生的设计结果和单铰链连接现象出现的原因。研究发现,柔性机构既要拥有满足功能要求的柔性,又要拥有支撑外力载荷的刚性;再者,两相继迭代步涉及输入端和输出端的综合柔顺度函数大的变化易导致单铰链连接现象出现。为了解决单铰链连接问题,基于柔性机构的综合柔顺度函数,构建了一种含综合柔顺度自适应约束的柔性机构优化模型。结合变体积约束限方案和光滑对偶算法,提出一种基于自适应约束的柔性机构拓扑优化设计方法,并进行了大量仿真设计研究。而后,将该方法推广到了多输入和多输出的柔性机构拓扑优化设计。验证算例结果表明,本文提出的自适应约束的柔性机构优化方法能较好地解决单铰链连接问题,并获得清晰的结构拓扑,本文的研究工作具有重要的理论意义和实用价值。
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