基于成对曲线组合的柔顺机构设计-论文.pdf

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1、中国科学：技术科学2012年第42卷第8期：911—918。慧www．scichina．corntech．scichina．com基于成对曲线组合的柔顺机构设计王念峰，张宪民华南理工大学精密装备与制造技术广东省重点实验室，J一州510640E-mail：menfwang@scut．edu．cn；zhangxm@scut．edu．cn收稿日期：2011-11-30；接受日期：2012—01—31国家杰出青年基金(批准号：50825504)、机器人技术与系统国家重点实验室开放基金(批准号：SKLRS-2010-

2、MS-09)、华南理工大学中央高校基本科研务费(批准号：2009220040，2012ZP0004)~广东省高等学校珠江学者岗位计~(2010)资助项目摘要采用拓扑优化技术进行柔顺机构设计成功与否在很大程度上取决于所采用的机构关键词柔顺机构几何表述方式．本文提出了一种全新的基于成对曲线组合(对线组)的表述方式．这种几何表对线组述方式，首先确定机构的输入输出区域．虽然在初始阶段不知道机构在设计域的分布，但是拓扑优化载荷加载需要借助机构输入输出点，因此必须有至少一个加载区域，一个支撑区域和一个遗传算法输出区域．

3、将这些输入输出区域利用成对Bezier曲线直接或间接连接起来形成一种可以承载负荷的柔顺机构．这种几何表述方式生成的机构边界为曲线函数之组合，解决了拓扑优化设计中的锯齿和模糊边界问题，并且可以同时进行形状和拓扑优化并且保持结构边界的光滑，没有棋盘格现象和中间密度单元等．基于对线组进行柔顺机构表征，会产生一些复杂的结构，基于FG—FEM有限元法进行仿真分析求得响应．研究柔顺机构拓扑优化设计理论与方法，采用图的形式对机构对象进行编码，利用遗传算法的全局寻优能力寻找全局最优解，数据算例的结果表明，提出的方法正确有效

4、．柔顺机构虽然具有很多优点，但其面临最大的挑相对均衡地分布在某个或所有元件中．战在于在满足约束条件下，如何分析和设计相应的Ananthasuresh从结构优化的观点出发利用拓机构．众多学者在柔顺机构的设计方面已作了许多扑优化技术进行柔顺机构分析与设计．和采用伪刚工作，特别是Howell⋯提出著名的伪刚体模型法后，体模型，沿用传统的分析与综合方法不同，采用拓扑这方面的研究取得了长足进展．采用这一方法，可以优化技术，只需给定设计域和指定输入输出位置，无将柔顺机构近似等价为～个刚性机构，从而可以有需从一个己知的刚

5、性机构出发，所得的结果具有优效地采用传统刚性机构的分析与综合方法对柔顺机化的力一位移输入输出关≤，因而引起了人们的重构进行分析与综合l2】．尽管伪刚体模型法取得了良好视．在实际应用中，人们总是希望柔顺机构一方面具的应用效果，但由于采用该法处理柔顺机构的设计有足够的柔性，以便顺利完成预定的工作，同时又具问题时需要从一个已知的机构出发，因而，有时会给有足够的刚性以保证其工作的稳定性．柔顺机构的拓设计带来很大困难．并且这种方法只能用来设计具扑优化就是在这样一对相互矛盾的目标下进行的‘剞．有集中柔度的柔顺机构，柔性

6、集中在运动副上，而非柔顺机构拓扑优化方法主要有基础结构法【5】、均匀英文版发表信息：WangNF，ZhangXM．Compliantmechanismsdesignbasedonpairsofcurves．SciChinaTee]Sci，2012，55：2099—2106，doi10．1007／sl1431—012-4849-Y王念峰等：基于成对曲线组合的柔顺机构设计化方法¨】、水平集法n、遗传算法f1等．基础接转化成桁架单元，Jang等人利用不协调元，Li等结构法和均匀化方法，都是将离散变量的拓扑优化人。

7、。利用基于单元的周边元参考系数的一种平滑算问题转化为连续变量的尺寸优化问题．连续变量优法来尝试着解决棋盘格现象，但是，这样会造成基因化问题可以利用传统的优化技术来处理，将连续变特性在迭代过程中遭到破坏并且增加了计算量．Tai量和材料的性质联系起来，利用有限元方法进行结和Chee采用一种仿生学的机构几何表述方式表征构分析．然而这两种优化方法得到的优化设计一般结构并且进行了相应的基因编码．这种几何表述方会出现一些中间密度单元．为了得到最后的拓扑结式应用了仿生学的设计，拓扑结构与脊椎动物的脊构，必须利用内在的惩罚

8、机制和白定义门槛值获得，椎十分相似，成功应用于柔顺机构的拓扑优化问题这影响了最后结果的准确性．上．然而这种表述方式所得到的结构由于有限元网水平集法最初是Osher和Sethiant19]在研究曲线格的存在边缘会产生锯齿，后处理时提取适合于加(或曲面)以曲率相关的速度演化时描述曲线(或曲面)工的几何模型比较困难，造成了计算资源浪费，并且的演化过程的．其基本思想就是将曲线或曲面隐式直接影响了设计精度ll引．地表达成为