柔顺机构的拓扑优化简介

yygao56

-------回家之前最后一帖，7.23-8.8放暑假，半个月不能来逛opti版了，祝大家暑假快乐-------
    柔性机构是通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移的机械机构，其研究起源于Buens和Crossley在1968年提出的柔性机构设计方法，在微机电(MEMS)领域、航空航天领域、生物医学等领域不断取代刚性机构，得到了广泛应用。
   
柔性机构同刚性机构相比具有很多优点，其完成特定目的而所需的部件数量少,可以简化制造过程、降低制造和集成的时间和费用。柔性机构无铰链等运动副，无摩擦、磨损、传动间隙及不需润滑。刚体机构的转动和滑移连接引起的振动和噪声也可通过柔性机构来降低。在微观情况下，因为柔性机构不需要运动副，降低制造成本，更适用于微机电(MEMS)结构方面的应用。


柔性机构的缺点在于：如果一个机构的功能是从输入到输出传送能量，由于机构存储了一部分能量，会导致能量不能全部传送。相对于刚性构件，因柔性机构的运动是通过弹性变形实现的，这就会导致疲劳破坏的产生，容易造成疲劳断裂现象。


在柔顺机构的拓扑优化设计过程中，如何去掉伪铰链问题一直是均匀分布的柔性机构设计中的热点。伪铰链结构的存在使得柔性机构拓扑优化设计结果在抗疲劳性和可靠性等方面都大大降低，实际工作过程中很容易出现疲劳断裂现象。但是从能量转换的角度可以说，伪铰链结构在基于弹簧模型的柔性机构拓扑优化设计中是不可避免会产生的。


下文给出一些经典柔顺结构的优化案例：
1. 微型位移反相器
SIMP法优化结果（半图）：

水平集法优化结果（半图）
   


水平集优化结果（全图）




2.
微夹钳
水平集（半图）



上文提到，柔顺机构的难点在于伪铰链问题。引入二次能量函数，即可消除这一现象。
有无伪铰链的优化结果比较：
  
没有伪铰链的微夹钳




二次能量泛函的引入，能够得到带状的，等宽的优化结果，有效的克服了传统设计方法中应力集中现象，伪铰链也不再存在。
关于柔顺机构的拓扑优化，大家一起讨论一下吧

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kmani

版主确实牛，那个没有伪铰链的结果图中怎么所有的“杆”宽度都基本一样呢，是你对单元大小做了约束吗？

yygao56

3# kmani
是的，这是一种几何约束条件下的柔顺机构拓扑优化
不过，在实际应用的时候，等宽的杆状是否加工更方便，实用性更好，就需要实验来验证了。

liu000

受教了，学习一下