基于散斑数字图像相关的柔顺结构力传感单元设计与试验研究

随着微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)越来越复杂,对微装配、微操作的微力测量要求越来越高。根据微夹持视觉导航与夹持力传感的要求,研究一种面向微夹持器的柔顺结构视觉力传感单元。该传感器单元与微夹持器采用结构一体化设计思想,加工简易,可在同一视场内实现视觉导航与夹持力传感。通过提出集成该视觉力传感单元的微夹持器构想,推导该视觉力传感单元的力-位移理论关系,建立基于散斑数字图像相关(Digital image correlation,DIC)方法的精密位移测量方法,构建该柔顺结构力传感单元。在此基础上,基于柔顺结构力传感单元的放大模型,建立验证力传感单元的力-位移关系的试验系统,进行传感单元的力-位移关系试验研究。研究表明,所提出的柔顺结构视觉力传感单元测量性能达到预期要求。

双向驱动的柔顺结构微动平台的设计与测试

针对微纳操控技术对微动平台提出的大行程、高精度、多自由度和输出位移解耦等要求,设计了一种基于两级放大机构的xy两自由度双向驱动微动平台。分析了微动平台的运动及放大原理,建立了微动平台结构的理论模型和有限元模型,并对其进行了测试。平台输出特性测试结果表明,微动平台的放大倍数可达8.5倍,与仿真值误差为6.9%,同时耦合位移控制在0.82%内;平台在150 V三角波信号驱动下,x方向上正、负向输出位移分别为84.6μm、-84.2μm;y方向上正、负向输出位移分别为85.0μm、-84.5μm。不同频率下的最大位移只在极小范围内波动,在x、y方向的正、负向输出具有很高的相似性和稳定性,实现了双向驱动,大行程、高精度的目的。

多工况下空间框架结构最小柔顺度拓扑优化

针对多工况作用下以柔顺度最小化为目标和体积为约束的空间框架结构拓扑优化问题,设计了一种新的优化思路。首先,利用Hypermesh软件和基结构法构建空间框架结构基础模型。其次,选用空心圆柱形梁单元,并以梁单元横截面外直径的平方为设计变量;采用加权和方法处理多工况作用下的结构柔顺度,构建以体积为约束的拓扑优化初始模型,运用变体积约束限措施将初始模型进行等效近似转换。然后,对结构柔顺度和体积进行灵敏度分析,并采用移动渐近线法(MMA)进行优化求解。最后,通过两个优化算例验证了所提方法是正确可行且有效的,为空间框架结构的优化设计提供参考。

四足机器人结构柔顺化设计与性能评价

针对刚性四足机器人动态行走时的躯体姿态不平稳和地面冲击力大等问题,通过借鉴哺乳类四足动物的躯体结构,提出了一种以局部被动自由度为特征的四足机器人柔顺化结构,即,在刚性四足机器人腿部末端添加由压簧约束的直线移动副构成弹性腿部,在腰部添加由扭簧约束的横滚、偏转两个方向的转动副,形成柔性腰部。采用中枢模式发生器(CPG)方法建立了四足机器人的轨迹控制模型,结合力学分析和样机试验确定柔顺结构各个弹性自由度的刚度系数。物理样机运动实验表明,柔顺结构能够有效的降低四足机器人行走时的地面冲击力,减小躯干姿态变化程度,从而提高机器人行走的平稳性。

基于Remote Center Compliance理论的柔顺导向结构研究

通过对封印的铅封过程运动的分析,描述了解决铅封过程中铅封误差导致的失败问题。结果表明,基于Remote Center Compliance(以下简称RCC)理论在自动铅封系统中柔顺导向结构的应用可以大幅度提高铅封的合格率。

载荷位置不确定条件下结构稳健性拓扑优化设计

研究了在载荷作用位置不确定条件下,连续体结构的稳健性拓扑优化设计,为外载荷的有效传递提供可靠的传力路径。首先基于非概率方法,将载荷位置的不确定性用区间变量表示。其次通过载荷移动的一阶和二阶导数信息,推导出载荷位置改变后结构柔顺度对拓扑设计变量的一阶导数公式。最后运用变密度法中的SIMP模型以及移动渐近线法(MMA),对连续体结构进行稳健性拓扑优化设计。所得结构与传统载荷位置确定条件下的优化结构相比,稳健性明显更高,充分展示了考虑载荷位置变化对结构拓扑构型设计的影响及其重要性。

载荷作用位置不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

研究当外载荷作用位置不确定时,连续体结构动态稳健性拓扑优化设计.在减小结构对简谐激励动响应的同时,有效降低其对外载荷作用点随机扰动的敏感性.首先基于非概率凸模型的方法,将外激励作用位置的不确定性用有界区间变量表示.其次通过对加载位置的导数分析,获得了在激励位置扰动情况下结构动柔顺度的二阶泰勒展开式.基于变密度方法,推导出了动柔顺度对拓扑设计变量的一阶灵敏度显性表达式.最后在材料体积约束下,采用移动渐近优化算法并结合载荷扰动区间内灵敏度的最大绝对值,对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计,并与传统载荷位置固定条件下的确定性优化结果进行对比,充分展示考虑外激励作用位置扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响.数值优化结果表明,采用文中提出的方法所获得的结构动响应的稳健性更高,能有效抵抗外激励作用位置的随机扰动.只要少许增大材料的体积,稳健性优化设计的动响应将在整个载荷扰动区域内优于确定性优化结果.

一种柔性隔振结构的动力学分析及设计方法

本文提出了一种新型的柔性隔振结构,该结构是基于柔性曲梁的力学特性而设计的.研究结果表明,该结构能通过轴向方向的负载来降低扭转方向的刚度,从而达到扭转方向的准零刚度特性,实现低频隔振.本文首先构建了柔性隔振结构的单元模型,并确定了单元模型轴向及扭转方向等关键静力特性,结果表明,该结构的单元模型能实现扭转方向的准零刚度特性,且轴向方向有较高的负载.然后,对不同结构参数的单元模型进行了动力学分析,确定了各结构参数对该结构动力学特性的影响,并利用有限软件对其进行了仿真分析,结果表明,该单元模型具有较好的隔振效果.最后,对构建的多层仿生柔性结构的隔振效率及隔振带宽进行了探讨.该结构具有柔性机构免装配、可整体加工、易小型化等特点,适用于精密光学仪器、机器人、卫星等具有扭转方向低频隔振的领域.

基于HyperWorks的机床横梁的拓扑结构优化设计

横梁是机床结构中极重要的承载大件,其性能直接影响对机床的加工质量,同时,也是最具减重潜力的关键件。采用HyperWorks软件,以结构柔顺度最小为目标,对横梁进行基于变密度法拓扑优化。根据优化后的横梁形貌及实际经验对模型进行细节修改,建立横梁最终优化模型。在ALGOR中对横梁仿真分析,结果表明:优化后的横梁较原设计在静、动态特性均有所提高,横梁总重量减少28.34%。

连接组合结构协同动力学拓扑优化设计

工程实际结构通常是由多个部件组合而成,且各部件通过连接构件传递彼此间的载荷和振动能量.连接构件的布局设计与约束状况对整个结构的拓扑构型、动态性能以及承载能力等均有较大的影响.本文研究连接组合结构构型与部件间连接构件布局的协同动力学优化问题,使整体结构在简谐激励作用下动柔顺度达到最小.以弹簧连接单元模拟连接构件的约束及承载状况,将承力构件材料的相对密度与弹簧连接单元的相对刚度同时作为设计变量.在材料体积约束以及连接构件数量约束的条件下,采用基于梯度的优化算法开展组合结构的拓扑构型与连接构件的布局协同优化设计.通过与无连接约束构件的单体式结构拓扑优化结果进行对比,展示了组合结构拓扑构型的变化,以及连接约束的布局设计对整体材料分布和结构动力性能的影响.数值结果表明,虽然组合结构协同优化设计的动柔顺度总是大于单体式结构的结果,但结构固有频率的变化却具有一定的偶然性,即可提供更加优越的结构构型与连接布局设计.

材料多等级双向演化结构优化算法

经典双向演化结构优化(BESO)算法采用单一材料非“生”即“死”的优化方式,过程中易产生边界问题,从而使结果陷入局优。为解决这一问题,在优化中线性内插多个弹性模量等级的材料,再构建基于变异系数的材料利用程度评价指标,以决定单元在不同材料等级间的升降,开发出材料多等级BESO算法。通过深梁算例对比新算法与经典BESO算法在优化能力上的差异,并探讨材料等级数对优化过程和结果的影响。研究结果表明:算例在优化运行至折算体积率为0.3时,单一材料的经典BESO算法,双材料、三材料和四材料的材料多等级BESO算法,解的柔顺度指标分别为0.818×10^(4),0.785×10^(4),0.775×10^(4)和0.768×10^(4)N·mm,耗时分别为4,8,12和18 min。算例在优化运行至绝对体积率为0.3时,三材料的材料多等级BESO解中占比高的材料2和材料3,变异系数分别为0.11和0.26,而经典BESO解中单一材料的变异系数为4.88。因此,与经典BESO算法相比,材料多等级BESO算法可以得到柔顺度更低,更符合优化目标的解,即更优的解。同时演化出的杆系结构拓扑更清晰,材料利用率更高。材料等级数越多,越能通过不同等级的材料分布反映构件受力机理,显微构件受力细节,但会引起耗时增加,实际优化应用时应权衡精度与效率以选择合适材料等级数。

多工况载荷下连续体结构柔顺度拓扑优化问题的新的求解方法

针对以多工况载荷下结构柔顺度最小为目标函数,结构体积为约束条件的优化问题,提出了一种新的拓扑优化求解方法。首先,参考限界公式法,通过一个限界变量将原多个目标函数转化为约束条件,引入一个新的该限界变量的二次函数作为目标函数。同时,结合变体积约束限技术,建立新的近似拓扑优化模型。然后,基于有理近似材料模型和移动渐进线方法,给出了目标函数和约束函数及其导数的显式近似式。利用光滑化对偶算法,构建了具有收敛性的多工况载荷下连续体结构的柔顺度拓扑优化算法。给出的算例结果表明,与现有方法比,该方法可获得更优解或可高效地获得相同的优化解。且所提方法可稳健地获得清晰0/1分布的优化结构拓扑。

刚柔混合变弯度机翼控制方法研究

为实现机翼在驱动控制下弦向连续弯度变化,提出了一种刚柔混合式变后缘机翼。其中,机翼柔顺段结构采用柔性气动肌腱作为驱动装置。首先,推导了气动肌腱驱动力模型;其次,将柔顺结构等效为单关节机械臂结构,建立了其动力学模型;继而建立了基于名义模型的滑模变结构PI控制模型,并对比例系数、积分系数及滑模面参数进行了整定。在此基础上,搭建了翼肋柔顺段变弯度控制试验平台及典型机翼盒段综合偏转控制平台。验证了柔顺段结构在弹性变形范围内达到目标弯度的能力,翼肋实际变形曲线与目标变形曲线误差仅为8%;同时,对控制方法及参数的动态性能进行了测试,其作动响应时间为5.5 s,超调量为0,稳态误差为6%,表明了控制系统的合理性和有效性。最后,对翼盒进行了目标角度的综合控制试验,测试了整体系统的变结构性能。