[发明专利]一种可实现变形能传递解耦的柔顺机构设计方法

说明书

一种可实现变形能传递解耦的柔顺机构设计方法，使用参数化水平集组件显式地描述机构拓扑边界，利用自动迭代权重因子将多目标优化线性组合为单目标优化，使所设计柔顺机构具备多源运动性能，同时通过添加解耦互应变能约束函数的方式实现柔顺机构输入输出完全解耦；本发明优化结果能直接与CAD系统无缝连接，极大地简化了后处理过程，同时参数化的边界表述为精确控制机构尺寸、克服制造约束等提供了可能；可用于设计结构简单、完全解耦的多源变形柔顺机构。

技术领域

本发明属于柔顺机构设计技术领域，具体涉及一种可实现变形能传递解耦的柔顺机构设计方法。

背景技术

区别于传统刚性机构，柔顺机构引入了弹性构件、柔性铰链等概念，利用结构局部或者整体弹性变形，以此实现力或者位移传递的一种新型机构；具有一体化加工成型，无需装配，精度高，易于微型化等优点，被广泛应用于微机电系统(MEMS)、微纳定位、微型夹持等需要超高精度的领域；随着应用领域的进一步拓展，对柔顺机构功能提出更多的要求，具体表现在由结构简单的单源输入单源输出柔顺机构拓展为多源输入多源输出柔顺机构，与此同时，机构多源运动带来的输入输出耦合问题，一方面严重威胁着各微执行器运行安全，另一方面极大影响柔顺机构的性能，特别是对于多源输入输出亚微米定位柔顺机构，耦合问题将极大影响定位精度。

目前基于运动学的伪刚体模型法所设计的多源输入输出解耦柔顺机构，由于运动轴间耦合问题的复杂性，为了实现较少自由度间的解耦，机构构型往往异常复杂，不利于控制实现和原型制造。

柔顺机构的另一种设计方法是拓扑优化方法，发展较为成熟应用比较广泛的拓扑优化方法主要是带有惩罚的固体各向同性材料(SIMP)方法，该方法利用像素点隐式表达拓扑边界，但存在以下缺点：隐式边界缺乏明确的几何信息，甚至包含没有明确物理意义的灰色元素，因此无法准确地描述结构的几何形状和拓扑，难以与CAD系统产生直接的联系，这将给后处理过程造成很大困难；缺乏参数化几何信息会导致在拓扑优化过程中难以控制结构的特征尺寸，优化产生的柔性铰链会在柔顺机构工作时造成严重的应力集中；此外，在考虑与制造相关的要求(例如，增材制造中圆角的最小半径和结构部件的悬垂角)时，仍然缺乏明确的边界几何信息。

发明内容

为了克服现有上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种可实现变形能传递解耦的柔顺机构设计方法，优化结果能直接与CAD系统无缝连接，极大地简化了后处理过程，同时参数化的边界表述为精确控制机构尺寸、克服制造约束等提供了可能；可用于设计结构简单、完全解耦的多源变形柔顺机构。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种可实现变形能传递解耦的柔顺机构设计方法，包括以下步骤：

1)配置初始参数化水平集组件布局，在机构设计域内均布n个参数化水平集组件，将其作为组成柔顺机构的构件，显式地描述柔顺机构拓扑边界；设置材料用量上限，设置最大迭代步数Loop以及针对设计变量变化的收敛标准c_s；

2)设置解耦互应变能因子大小；

2.1)设置输出解耦互应变能因子表征所设计柔顺机构输出解耦程度；

2.2)设置输入解耦互应变能因子表征所设计柔顺机构输入解耦程度；

3)利用有限元单元均匀离散底层计算层，用于后续响应计算；

4)根据给定的边界条件在底层有限元的单元节点上施加载荷和约束；

5)迭代准备，初始化作为优化器的移动渐近线法(MMA)的迭代参数；

6)启动优化迭代过程，根据投影规则使用Heaviside公式将参数化水平集组件投影到底层有限元计算层，计算有限元单元上所有节点的投影值；

7)计算所有参数化水平集组件所覆盖的底层有限元单元面积，进而计算所设计柔顺机构体积V；