导　　师： Sergej Fatikow; 张宪民

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 柔顺铰链在精密工程、微纳操作、MEMS、机器人以及生物医学工程等领域得到广泛应用,它是柔顺机构最为关键的组成部分。柔顺铰链的特性很大程度上影响着柔顺精密装备的性能,其构型的设计和优化非常重要,成为近年来国际上的研究热点之一。目前大多数的研究都是在尺寸和形状层面上对柔顺铰链进行优化设计,在拓扑层面上对柔顺铰链进行研究的很少。因此,本文采用拓扑优化方法在拓扑层面上对柔顺铰链进行设计,深入研究了柔顺铰链拓扑优化设计的理论和方法。全文的主要研究内容如下:(1)为了使拓扑优化能够得到具有转动功能的柔顺铰链,将铰链的转动柔度和轴向柔度的加权和作为优化目标函数,建立了柔顺铰链拓扑优化的一般模型。同时为了使得柔顺铰链具有很高的精度,将轴漂作为约束条件,提出了基于转动精度约束的柔顺铰链拓扑优化模型。通过数值算例来验证优化模型的正确性和有效性。根据拓扑优化得到的结果,设计了一种新型高精度的类V型柔顺铰链。采用卡式第二定理对新型铰链的柔度、精度和最大应力的理论公式进行求解,用有限元仿真和实验验证了公式的准确性。通过数值计算分析了类V型柔顺铰链的性能,且与传统的V型柔顺铰链进行了比较。(2)针对柔顺铰链的应力集中问题,应力约束被引入到柔顺铰链的拓扑优化设计中。采用等效应力的P-范数来控制铰链的全局应力,将柔顺铰链的最大应力控制在许用应力范围以内。数值算例验证了应力约束能够有效地控制柔顺铰链的应力水平,且能够降低应力集中系数。研究了在应力约束下,网格划分与弹簧刚度对柔顺铰链拓扑优化结果的影响。最后使用有限元仿真软件ANSYS比较了无应力约束和有应力约束得到的柔顺铰链的最大应力。仿真结果表明有应力约束的柔顺铰链的最大应力

关 键 词： 柔顺铰链 柔顺机构 拓扑优化 应力约束 对称性约束

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