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摘要
柔顺机构因其高精度、无摩擦以及便于微型化等优点,在微机电系统、生物医学、精密定位与操作等领域得到了广泛的应用,已成为机构学中的重要分支。拓扑优化作为柔顺机构的一种设计方法已成为研究热点之一,但目前为止拓扑优化方法多集中在对隐式方法的研究,而对包含更多几何信息的显式方法研究还不够深入。基于这一背景,本文以显式拓扑优化方法为工具,深入研究了柔顺机构与驱动器位姿协同设计的理论与方法,主要研究工作有:(1)针对显式拓扑优化方法中可移动变形组件的表征存在几何插值误差的问题,给出了一种基于射影变换的拓扑描述模型,揭示了组件边界偏移现象的成因,利用层次特征构造方法及隐式平面对组件分解描述,消除了组件边界几何表征中的插值误差,并结合扩展有限元法实现了单元内部的结构边界细节重构,有效提高了几何模型与分析模型的一致性。(2)针对柔顺机构显式拓扑优化方法中的最小尺度约束设计问题,提出了一种基于虚拟组件骨架的有效状态控制模型,利用虚拟组件骨架提取可移动变形组件的形态学特征并用以描述组件间的相对位置,分析了组件重叠模型中最小截面的演化规律,给出了基于有效连接状态的最小尺度约束方法,有效避免了组件轮廓细节的干扰,实现了对柔顺机构最小尺度的精准控制。(3)以基于射影变换的组件拓扑描述模型为基础,引入参数化水平集法,给出了一种显隐式混合多组件系统拓扑描述模型。结合扩展有限元法,研究了力电耦合作用下材料不连续交界面附近的位移场近似求解方法。结合显式和隐式方法的几何约束策略,给出了一种全局可制造性约束方法,在考虑输出端刚柔耦合特性的基础上,给出了一种柔顺机构与驱动位姿协同拓扑优化方法,提高了所设计柔顺机构的可制造性。(4)基于以上柔顺机构与驱动器位姿协同拓扑优化方法,设计和实现了可用于微装配的压电驱动柔顺微夹持机构。给出了一种两级构型设计策略,其中第一级为拓扑优化设计的微夹持机构钳体,第二级为适配不同尺寸微小零件的可更换钳口。提出了一种钳口与钳体的对接方案。利用有限元仿真和实验验证了所提设计方法的可行性。本文的研究工作为柔顺机构与驱动器位姿协同拓扑优化设计提供了新方法,推动了柔顺机构设计理论的进一步完善,为柔顺机构在微装配领域的应用提供了新的思路。
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