基於成對曲線組合的柔順機構形狀與拓撲最佳化設計研究

《基於成對曲線組合的柔順機構形狀與拓撲最佳化設計研究》是依託華南理工大學，由王念峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於成對曲線組合的柔順機構形狀與拓撲最佳化設計研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王念峰
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

本項目深入系統研究基於成對曲線組合的柔順機構形狀拓撲最佳化設計理論和方法。提出了一種基於成對曲線組合以輸入輸出區域為核心的柔順機構幾何表述方式。雖然在初始階段不知道機構在設計域的分布，但是載荷載入需要藉助機構輸入輸出點，因此必須有至少一個載入區域，一個支撐區域和一個輸出區域。將這些輸入輸出區域利用成對參數曲線直接或間接連線起來形成一種可以承載負荷的柔順機構。機構邊界為參數曲線函式之組合，可以同時進行形狀和拓撲最佳化並且保持結構邊界的光滑，解決了柔順機構拓撲最佳化中的的單元鉸接、棋盤格現象、鋸齒和模糊邊界等數值不穩定問題；採用仿生學的觀點，參照節肢動物的外骨骼能與內壁所附著的肌肉共同完成各種運動，表征多材料柔順結構，提升柔順機構的整體性能和可加工性；建立多目標拓撲最佳化設計模型，採用圖的形式對機構進行編碼，利用遺傳算法的全局尋優能力尋找全局最優解；建立實驗平台，對理論研究的正確性進行驗證。

結題摘要

本項目深入系統研究了基於成對曲線組合的柔順機構形狀拓撲最佳化設計理論和方法，設計了柔順假手，柔順定位平台等複雜柔順機構，並進行了相應的實驗研究。提出了一種基於成對曲線組合以輸入輸出區域為核心的柔順機構幾何表述方式。雖然在初始階段不知道機構在設計域的分布，但是載荷載入需要藉助機構輸入輸出點，因此必須有至少一個載入區域，一個支撐區域和一個輸出區域。將這些輸入輸出區域利用成對參數曲線直接或間接連線起來形成一種可以承載負荷的柔順機構。機構邊界為參數曲線函式之組合，可以同時進行形狀和拓撲最佳化並且保持結構邊界的光滑，解決了柔順機構拓撲最佳化中的單元鉸接、棋盤格現象、鋸齒和模糊邊界等數值不穩定問題。採用仿生學的觀點，參照節肢動物的外骨骼能與內壁所附著的肌肉共同完成各種運動，表征多材料柔順結構，提升柔順機構的整體性能和可加工性。認真研究了諸如變密度法、基礎桁架結構法、水平集法等現有的主流拓撲最佳化方法的相關理論，並對這些方法的優缺點、適用性等進行了分析與總結。基於對單材料拓撲最佳化的研究，本項目創新地提出了一種簡單而又具有普遍適用性的多材料並行最佳化策略用以解決多材料的拓撲最佳化問題。主要通過結合剛度插值-懲罰模型、桿單元模型、水平集模型這三個常見的模型進行了具體的理論設計，並通過大量的算例對這種新方法進行了評估。某種意義上說，拓撲是“定性”的，幾何結構中的拓撲變化是不連續的變化；因此，利用本質上是離散最佳化算法的遺傳算法有效地解決了拓撲最佳化問題。建立了多目標拓撲最佳化設計模型，採用圖的形式對機構進行編碼，利用遺傳算法的全局尋優能力尋找全局最優解；對於可靠性問題，採取反最佳化方法。設計了柔順假手，假手手指是基於拓撲最佳化設計的柔順機構的手指，並開發了表面肌電信號(sEMG)採集與識別系統，對之進行了控制研究。設計了精密定位平台等複雜柔順機構，為獲得柔順機構柔度，提出了波紋狀結構的懸臂樑。該懸臂樑由於相對長度大，具有很大的柔性，因此可以套用到大柔度柔性機構的設計中。建立了實驗平台，對理論研究的正確性進行驗證。