一种新型柔顺机构设计方法的研究.pdf

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1、第3期机械设计与制造2013年3月MachineryDesign&Manufacture7一种新型柔顺机构设计方法的研究康利君，李瑞琴(中北大学机械工程与自动化学院，山西太原030051)摘要：大变形柔顺机构的设计由于几何非线性的关系，需要利用有限元软件分析研究，而不同宽度的梁单元在有限元建模时并不符合实际机构的设计。提出一种柔顺机构连接器，通过连接器与不同梁单元的连接可以构成不同的柔顺机构，而对同一种柔顺机构由于不同的输入与输出，也会发生不同的变形。其次，对柔顺机构连接器进行有限元建模。最后，对设计域内的柔顺机构建立了拓扑优化

2、设计的数学模型，从而可以通过数学模型的求解找到设计域内最优的设计方法。关键词：柔顺机构；连接器；梁单元；有限元建模；拓扑优化设计中图分类号：TH16；TH132文献标识码：A文章编号：1001—3997(2013)03—0007—04TheResearchofaNewToolfortheDesignofCompliantMechanismsKANGLi~un，LIRui-qin(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，NorthUniversityofChina，ShanxiTaiy

3、uan030051，China)Abstract：Thedesignofcompliantmechanismswithlargedeformationofrenbringsthegeometricalnonlinear，anditneedsfiniteelementanalysis$OfiWClFetonsen，℃7LBecauseofdiferentwidthofthebeamelements．themodelsbyfiniteelementsoftwaredon’tconformtotheactualmechanismdes

4、ign,Itpresentsadesignmethodofcompliantmechanismsthroughaconnectorwhichc肌connectbeamelementswithdiferentwidth．BythemethoditCangetdiferentcompliantmechanisms．andfortheS01l~kindofcompliantmechanism，diferentinputandoutputalsoresultndifferentdeformations．Secondly，thefinit

5、eelementmodeloftheconnectorisresearched．Finally，themathematicalmodeloftopo~gyoptimizationisestablishedandthroughthesolutionoftheproblemsitCanfindtheoptimaldesigninthedesigndomain．KeyWords：CompliantMechanism；TheConnector；BeamElement；FiniteElementModeling；TopologyOptim

6、ization1引言由简单的连杆综合理论以及柔顺机构共同完成，柔顺机构的加入可以减少驱动器的数量，使得整体较紧凑，装配较容易。文献H研随着现代机构学的发展，柔顺机构的应用越来越广泛，在医究了全柔顺J／S型仿生足的刚度特性并进行了优化，这种仿生足疗中的微创手术、通信中的微开关技术以及在精密定位、精密和柔顺机构属于大变形柔顺机构。超精密制造、精密操作、微机电系统中都具有广泛的应用。柔顺机构在微型及精密设备中应用广泛，但这些用途仅用柔顺机构属于无铰链机构，整个机构为一个整体，与刚性连于输出微小的位移，对于大变形的柔性输出，由于弹性变形

7、中存杆由铰链相互连接不同，是通过柔顺元件的弹性变形而不是像刚在几何非线性的关系，使得柔顺机构的设计与应用出现较大的难性元件通过铰链以及滑块来传递或转换运动和力。柔顺机构的优度。通常设计与分析这类较大变形的柔顺机构需要借助于有限元点有：不需要组装；占用空间小并且不复杂；不需要润滑；不存在分析软件，利用有限元软件来直观的观察柔顺机构的变形情况。由于摩擦导致的损坏；精度高；可以与其他元件(如弹簧等)共同但是对于较为复杂的柔顺机构，有限元建模会相当繁琐。并且对用来存储或者传递能量、运动或力。正是由于柔顺机构的这些特于设计完成的柔顺机构，

8、由于其变形的几何非线性，导致需要用点，满足了其在各种微型及精密仪器设计中的特别要求，从而得计算机控制处理的难度也有所增加。到了广泛的应用_l_。文献啵计了一种六自由度微动操作平台，该因此，为了方便柔顺机构的创新设计，出现了一些设计方法平台是一种六自由度柔顺平行导