基于变密度法的柔性机构拓扑优化设计及其后处理方法研究

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1、分类号学号M201270508学校代码10487密级硕士学位论文基于变密度法的柔性机构拓扑优化设计及其后处理方法研究学位申请人：李伯豪学科专业：工业工程指导教师：高亮教授答辩日期：2015年5月13日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringResearchonTopologyOptimizationDesignandPostProcessingMethodofCompliantMechanismbasedonSIMPCandidate:LiBo

2、haoMajor:IndustrialEngineeringSupervisor:ProfessorGaoLiangHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,13th,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日

3、期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要柔性机构通过弹性形变传动的特点，使其拥有不依赖传动副、结构小型化等等刚性机构不可比拟的优势，因而被广泛应用于航空

4、航天、微机电系统等高精尖领域。拓扑优化技术在柔性机构结构设计中的应用，使其摆脱了以往过分依赖人工经验的格局，让柔性机构设计系统化、科学化，具有重大的应用价值与研究意义。但柔性机构的拓扑优化过程中容易出现单点铰链问题，造成应力集中，使柔性机构发生断裂失效；另一方面，现有的拓扑优化技术得到的柔性机构优化结果往往与工程实际相脱节，模型提取较为困难，不具备良好的可制造性。因此，现阶段该技术领域中存在的最亟需克服的问题是，在优化过程中尽可能的避免出现单点铰链情况，同时使所进行的拓扑优化结果尽可能的更靠近实际工程应用，满足其可制造性的要求。本论文研究系统地分析了国内外有关柔性机构拓扑优

5、化的相关研究成果，同时结合本研究要解决的问题，着重分析了单点铰链以及优化结果的后处理等方面的问题，本研究工作主要从如下几个方面展开：首先，深入了解柔性机构拓扑优化领域的现状，在此基础上研究了SIMP方法与参数化水平集法的求解流程，同时系统研究对比其所存在的优点和缺点。其次，分析了柔性机构拓扑优化建模方面存在的问题，并且建立了柔性机构在进行多目标拓扑优化时通用的数学模型，一方面满足结构自身的承载能力要求，一方面提高其输出特性，并将密度过滤技术与敏度过滤技术结合，通过使用混合过滤技术尽可能降低产生单点连接问题的发生，同时运用实例分析来验证所建立的数学模型及数值过滤方法的可行性。

6、然后，针对SIMP法优化结果可制造性差的问题，提出了一种基于参数化水平集的后处理方法，用于对SIMP法的优化结果进行后处理，避免了锯齿状边界以及中间密度等情况的发生，使结果的可制造性得到提升；另一方面，对单点铰链等薄弱区域都能够有很好的优化。运用实例分析来验证所提出方法的可行性以及较之前方法的优势所在。最后，对全文的主要工作进行了总结，分析了现有研究的不足以及日后工作的重点。关键词：拓扑优化SIMP法PLSM法柔性机构后处理I华中科技大学硕士学位论文AbstractCompliantmechanismshaveincomparableadvantagesovertherig

7、idmechanismsinsomeway,suchasindependenceoftransmissionvice,theminiaturizationofstructuresandsoon,whichresultfromitscharacteristicsoftransmissiondrivenbyelasticdeformation.Theyarewidelyusedinabroadrangeofhigh-techfieldsvaryingfromaerospacetomicro-electromechani