随着对机械结构的功能要求不断提高,仅靠刚性结构已经不能满足3C产品装配的要求,柔顺机构因其体积小、重量轻、无摩擦等优点正在不断代替一些刚性结构实现装配的功能。柔顺机构的获得主要采用拓扑优化方法。在拓扑优化方法中,水平集方法也因其独有的优势而不断得到研究人员的青睐。本课题正是基于水平集理论对柔顺机构拓扑优化进行研究,为后续优化设计结构对具体的3C产品装配奠定基础。首先,对水平集方法进行了研究并改进。有限元分析是水平集方法优化的基础工作,采用特定的形式对单元以及节点进行编号并给出了有限元分析在水平集方法中的具体算法实现过程。然后研究了水平集方法的实现,包括水平集方程的构建以及求解、符号距离重新初始化、收敛性判断等,在此基础上编写水平集算法,为课题后面的研究奠定基础。其次,对分布式柔顺机构的特点以及柔顺机构优化模型的建立过程进行研究。建立一般形式上的拓扑优化模型,在此基础上求解演化速度场并对其进行扩展;然后以位移反向机构和夹钳机构为例,确定对应的设计变量、目标函数以及约束条件,分别建立对应的拓扑优化数学模型,利用线性加权组合公式和增广乘子法将其转化为无约束优化模型,并在此基础上求得两个模型对应的速度场。然后,在拓扑优化模型的建立以及水平集方法的基础上,以位移反向机构和夹钳机构为例,给定初始拓扑,利用水平集方法对其进行优化,获得迭代优化中间过程以及最终拓扑结构并对其进行分析,力图达到期望的位移反向功能和夹紧功能。在此基础上,对水平集算法进行扩展,通过修改算法的特定内容以获得类似的结构从而实现更加广泛的应用。最后,基于上述所得拓扑结构,建立位移反向机构和夹钳机构的三维模型并对其进行仿真分析,获得理论上的结构输入输出性能。在此基础上选择实验器材,搭建实验平台,对位移反向机构和夹钳机构分别进行加载实验,测试其性能,将实验结果与仿真结果对比,验证结构功能的有效性。