基於桁架-機構映射的多體系統拓撲最佳化方法

《基於桁架-機構映射的多體系統拓撲最佳化方法》是依託上海交通大學，由王皓擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於桁架-機構映射的多體系統拓撲最佳化方法
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王皓
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

多體系統的最佳化設計是多體動力學研究的重要組成部分之一，相對於系統的尺寸變數，系統拓撲對性能具有更大的影響。現有最佳化方法可以實現多體系統中幾何與物理參數的最佳化，但不能完成體-鉸連線結構的拓撲最佳化，拓撲設計過程仍然依靠經驗，缺乏通過自動尋優實現拓撲設計的方法。 針對機械系統拓撲設計自動化的需求和多體系統最佳化研究的發展現狀，項目擬建立一套多體系統拓撲最佳化的理論方法。核心思路是採用對偶圖建立桁架結構與多體系統的力學等效映射模型，將多體系統拓撲最佳化轉化為桁架結構最佳化問題來求解，根據多體驅動構件運動與桁架支撐點約束力的對偶關係，由基結構最佳化結果轉化得到多體系統拓撲方案。實現以承載、剛度、固有頻率、運動軌跡精度為設計目標的多體系統拓撲和參數最佳化設計。 通過項目研究，使多體系統最佳化研究的水平由參數最佳化提升到拓撲最佳化，將機械系統拓撲設計方法由經驗推理髮展到自動尋優，推動多體系統動力學的學科發展。

結題摘要

項目針對多體系統拓撲最佳化設計問題，取得一系列成果： 分別建立了平面微位移放大機構和空間三平動機構拓撲最佳化模型。對於平面微位移放大機構，在動態最佳化目標和約束條件的處理上，通過對偶關係將其轉換為相應的平面靜定桁架拓撲最佳化目標和約束條件。對於空間三平動機構，在平面桁架拓撲最佳化的基結構法的基礎上，構建基於空間多面體的空間基結構，建立了相應的拓撲最佳化模型。 研究了剛體機構拓撲最佳化模型的最佳化求解算法。針對平面微位移放大機構拓撲最佳化的核心，即平面靜定桁架拓撲最佳化，本文提出了逐步添加與阿蘇爾桿組中的DYAD桿組相對偶的特殊結構的新方法。相對於傳統桁架拓撲最佳化的基結構法，本文的方法解決問題的規模更大，同時具有更高的計算效率。針對空間三平動機構拓撲最佳化，提出了適用於不同複雜程度基結構的算法。通過執行不同算法程式，得到了不同的新型空間三平動機構。 分析校驗了最佳化所得剛體機構拓撲運動學特性。對於平面微位移放大機構，基於運動學雅可比模組化建模方法，建立了平面剛體機構拓撲運動學自動分析方法。對於最佳化所得的兩種新型空間三平動機構，對其全周自由度進行嚴格地數學證明。 開發了剛體機構拓撲最佳化軟體。為輔助不具備機構設計經驗的人員進行機構設計，開發了兩種運動類型的剛體機構拓撲最佳化軟體，並對軟體的系統架構以及操作方法進行詳細介紹。同時在開發軟體時，預留出相應接口，以便後續添加其他運動類型的剛體機構拓撲最佳化模組。 在機構學設計領域，本文提出的方法能夠實現平面微位移放大機構及空間三平動機構拓撲自動最佳化設計，所開發的軟體能夠輔助沒有機構設計經驗的人員完成滿足設計要求的新型機構的設計。本文進一步為旋壓裝備的運動機構拓撲自動最佳化設計提供了理論基礎，在剛體機構拓撲自動最佳化設計領域取得了相應的進展和突破。