基于生物力学相容性的微创手术钳优化设计

针对微创手术钳因生物力学相容性差导致过度夹持的现象,建立了传统微创手术钳头的力学模型,并利用解析方法构建了手术钳的手柄握持力与钳口夹持力的特性关系。基于渐开线特征,提出并设计了具有渐开线形导向槽的新型手术钳头,分析了其夹持力的输出响应。利用NiTi记忆合金的超弹性特征,设计了具有特殊应力松弛特性的恒力控制单元,并对改进后的新型微创手术钳头进行有限元数值仿真和试验验证。结果表明,钳口夹持力与握持拉力成线性正比关系,并且当握持力进入饱和范围时,夹持力出现应力饱和响应,实现了对人体组织的夹持保护。研究结果使得微创手术钳在夹持不同特性的组织时均可保证夹持力不超出安全值,这对提高微创手术器械的生物力学相容性以及微创外科安全性具有临床实践意义。     

基于拓扑优化的微夹钳设计

采用以互能和应变能比值作为目标函数的柔性结构拓扑优化方法完成了微夹钳的概念设计.结合具体的夹持对象和工作环境,在微夹钳概念设计基础上确定了微夹钳的最终结构形式.采用有限元法分析了微夹钳的传动比与夹持力,并在万能工具显微镜下测量了微夹钳原型的传动比与夹持力.试验结果表明:当微夹钳钳口尺寸为0.45mm时,微夹钳的平均传动比为22.89,最大夹持力为356.16mN,并且钳口的位移和夹持力与压电陶瓷的输入位移有良好的线性关系,与有限元计算结果基本吻合.这表明连续体拓扑优化方法在微夹钳的设计中有着重要指导作用.     

一种柔顺微夹钳机构的拓扑优化方法研究

提出了用虚拟载荷法解决ANSYS软件只能以刚度为优化目标的问题,首先基于变密度法给出了柔顺机构在位移最大化目标下的体积约束优化模型,并对目标函数进行敏度分析;进而分别给出在ANSYS和MATLAB两种不同平台中,实现柔顺微夹钳拓扑优化设计的方法与过程;最后对两个平台中得到的拓扑优化结果进行了分析,结果表明虚拟载荷方法能够解决ANSYS只能进行刚度优化的问题;对柔顺机构进行拓扑优化设计时,MATLAB能够达到理想的效果,并且比ANSYS更具有针对性。     

基于变厚度杂交元的二维连续体结构拓扑优化

本文提出了以节点厚度为设计变量、基于变厚度杂交有限元的二维连续体结构拓扑优化设计模型。文中考虑了以柔顺度作为目标函数、体积作为约束条件的刚度最大化拓扑优化问题,推导了基于节点变厚度杂交元的连续体结构敏度计算的解析表达式,并采用优化准则法进行迭代求解。对MBB梁等典型问题所做算例结果表明,无需采用敏度过滤等特殊处理,该方法也能给出具有清晰边界的拓扑优化结果,验证了方法的有效性和优越性。     

一种新的多输入多输出柔顺机构拓扑优化方法

针对多输入多输出柔顺机构的输出位移最大化拓扑优化问题,提出了一种新的拓扑优化求解方法.首先,引入柔顺度的小量变化约束函数来处理柔顺机构拓扑优化的病态载荷问题和类铰链问题.基于传统界限公式法思路,通过一个界限变量将多个输出位移最大化目标等效转化为多个约束条件,构建了一种新的多输入多输出柔顺机构拓扑优化的界限公式模型.然后...     

导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题

柔性机构中为同时考虑结构的刚性和机构的柔性,研究结构整体柔度最小化和结构输出位移最大化的多目标拓扑优化设计方法.建立基于RAMP插值模型的多目标拓扑优化设计模型,采用伴随敏度分析法进行目标函数敏度分析.将导重法引入到柔性机构拓扑优化问题的求解中,推导出柔性机构多目标拓扑优化问题的迭代表达式.对柔性机构的典型算例进行拓扑优化计算,算例结果表明,基于RAMP插值模型结合导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题具有设计变量少、收敛速度快、优化效率高的特点,上述方法的结合为求解柔性机构多目标拓扑优化问题提供了一条新途径.     

基于柔顺机构的风力机叶片变弯度前缘结构设计

为实现风力发电机叶片的自适应变形及结构轻量化,叶片前缘采用柔顺机构设计。以实际位移与目标位移差值及最大应力为约束,以材料用量最小为目标,采用变密度法对柔顺机构进行拓扑优化设计。以双程形状记忆合金丝作为驱动器驱动前缘柔顺机构自适应变形。研究结果验证了柔顺机构及拓扑优化结果的可靠性,为大型风力发电机叶片柔顺机构的设计提供了借鉴;同时也验证了双程形状记忆合金丝作为智能驱动器具有工程发展应用的前景。     

考虑机匣柔性的新型旋转叶片-机匣碰摩模型

针对旋转叶片与机匣的碰摩故障，以弹性叶片和柔性机匣作为研究对象，基于弹性协调相容条件推导新的旋转叶片与柔性机匣碰摩力模型.基于材料力学理论，考虑叶片旋转效应，如离心刚化和旋转软化，以及碰摩软化的影响，计算了叶片的准静态弯曲变形.采用带有弹簧支承的柔性环来模拟机匣，其位移由整体位移和局部柔性位移组成.根据能量守恒原理，建立柔性环的位移方程，并对其进行离散处理，得到机匣的结构刚度，进而求得机匣局部柔性位移.与文献和实验结果的对比验证了本文碰摩模型的准确性.     

基于正交试验法的多向弯曲柔性关节夹持性能优化

柔性关节夹持力是其完成各种操作的关键,合理的结构参数可有效提高柔性关节夹持力.为研究不同结构参数对关节夹持力的影响,以多向弯曲柔性关节为对象,采用正交试验法优化关节夹持力结构参数.结果 表明:在所研究的参数范围内,关节夹持力与关节有效变形长度成负相关,与乳胶管规格、弯曲力臂和弹簧数目成正相关;建立了关节夹持力与结构参数...     

水平集方法及其在柔顺机构拓扑优化中的应用

由于具有跟踪拓扑结构变化、优化边界清晰光滑等优点,水平集方法作为一种新颖的机构拓扑优化方法近来受到了重视.文中首先讨论了水平集方法中Hamilton-Jacobi方程的求解、水平集函数的重新初始化、速度场扩展等出现的问题.在此基础上,给出了应用逆风差分格式求解Hamilton-Jacobi方程的数值方法,并采用改进的符号函数有效解决了数值的不稳定问题,提出的快速扫描法可以对速度场进行有效扩展.最后,建立了基于水平集方法的柔顺机构拓扑优化模型,利用水平集法对反位移柔顺机构进行了拓扑优化设计.     

基于体硅工艺的微夹持器设计

为克服静电致动微夹持器夹持力小、运动范围小的弱点,设计并研制了一种基于体硅工艺的微夹持器。建立了S形柔性夹持臂力学模型,借助有限元方法进行结构优化、夹持臂模态分析以及静电驱动器对微操作对象影响的估算。研制成一种大深宽比梳状静电驱动微夹持器,释放了等效长度达5.470mm的柔性夹持臂。该夹持器采用了导电型并接地连接的柔性微夹持臂,可防止静电对操作的影响,柔性结构有效解决了静电力小与硅材料的弹性模量高之间的矛盾,使微夹持器的夹持力输出大大增加。     

基于可靠性的柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的研究

给出了一种基于可靠性柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的新方法。其目的是将可靠性分析集成到几何非线性拓扑优化中。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术求解几何非线性的结构响应。其次,考虑几何尺寸及作用荷载大小的不确定性,建立柔顺机构多目标拓扑优化数学模型。目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求。可靠度的概率约束采用一次可靠度方法计算。目标函数敏度分析采用伴随求解技术,拓扑优化采用SIMP材料插值方法,并用移动渐近方法进行迭代求解。最后以柔顺微夹钳的可靠性拓扑优化为例,说明本文所提方法的正确性和有效性,研究结果表明基于可靠性拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构更合理。     

汽车轮毂柔性夹具的径向动态夹持刚度研究

设计了一种可以在无须人为更换零部件的情况下实现对直径为43.18～50.8 cm轮毂进行可靠装夹的汽车轮毂柔性夹具．对所设计的夹具结构在工作过程中的受力情况进行了分析,确定了夹具最大径向位移与刀具切削要素之间的函数关系,建立了夹具径向动态夹持刚度理论模型．采用有限元数值模拟的方法对夹具的径向夹持刚度特性进行了分析．结果表明：夹紧力的大小对轮毂夹具径向动态夹持刚度没有影响,轮毂夹具的径向动态夹持刚度不仅取决于弧形夹爪的刚度大小,而且与轮毂毛坯的几何尺寸有关．本夹具中的六弧形夹爪设计对夹具的径向夹持刚度可以起到较好的积极作用,能够有效提高夹具结构的稳定性．     

基于可靠性的柔顺微夹持机构几何非线性拓扑优化

为减少因制造过程中的不确定性因素而导致的机构性能下降现象,文中给出了一种基于可靠性的柔顺机构几何非线性拓扑优化设计方法.首先,建立增量形式的平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应.其次,考虑几何尺寸及作用荷载大小的不确定性,建立柔顺机构多目标拓扑优化数学模型.目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求;可靠度的概率约束采用一次可靠度方法计算;目标函数灵敏度分析采用伴随求解技术;拓扑优化采用固体各向同性材料插值方法,并用移动渐近方法进行迭代求解.最后,以柔顺微夹钳的可靠性拓扑优化为例进行研究,发现基于可靠性的拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构更合理,说明文中所提方法是正确和有效的.     

一种微位移柔顺放大机构的优化设计

基于柔性梁的动刚度矩阵以及矩阵位移法建立了一种微位移柔顺放大机构的伪静态参数化模型.该模型可以对新机构进行快速化运动预测和参数化运动分析，并且可以得到位移放大率的解析模型.通过模拟退火算法优化结构的尺寸与形状得到了一种新的机构，它的放大率相比于原始构型增加了9%且固有频率为409Hz，与有限元结果对比相对误差小于2%，验证了模型的准确性.分析了在负载与输入位移共同作用下新机构的放大率变化规律以及结构关键节点处的加工误差对输出位移的影响.结果表明，模型顶点与输出端的X方向加工误差对输出位移的影响最大.     

整体式柔性机构的结构拓扑优化设计

基于变密度法和优化准则法,推导并建立了柔性机构的结构拓扑优化设计的设计变量迭代格式．以机构的机械增益为优化的目标函数,利用连续体的结构拓扑优化技术建立了的柔性机构设计的数学模型．通过人工弹簧模型和虚拟载荷法描述柔性机构设计的目标函数,采用伴随敏度分析法进行了敏度分析．以柔性夹钳作为设计实例,证明了所研究方法的有效性,用快速成型技术验证了柔性机构概念设计阶段的合理性．     

柔性机械手设计与夹取力动态特性仿真分析

设计了一种以驱动位移控制进行夹取力控制的柔性机械手,基于有限元软件ABAQUS及动力学仿真软件ADAMS,建立了柔性机械手的动力学模型.以不同尺寸的草莓为夹取目标物,对柔性机械手夹取过程进行动力学仿真分析,得到了夹取力随驱动位移量的增加呈线性增加的变化规律,同时获得了驱动速度与瞬时接触夹取力的关系曲线.在此基础上,对柔性机械手样机进行实验分析,结果表明:通过控制驱动位移量及速度进给,机械手能够实现对目标物草莓的无损夹取.该柔性机械手基于柔顺机构特性,无需复杂的传感反馈系统,即可实现对浆果类易损果实的快速抓取,为农业自动化收获机器人末端装置设计提供了一个新思路.     

纯电动汽车白车身拓扑优化设计及性能验证

基于变密度结构拓扑优化方法,以柔度最小化为目标建立了汽车白车身拓扑优化数学模型。对其白车身结构在静载荷、弯曲载荷,以及扭转载荷工况下分别进行拓扑优化设计,得到相应的最优拓扑结构。通过建立基于优化结果的白车身线框模型对其弯曲和扭转刚度进行验证。数值算例结果证明,拓扑优化方法能够得到具有工程实用价值的纯电动汽车白车身最优结构,在满足车身结构刚度要求的同时实现车身轻量化。     

基于拓扑优化的钢桥结构合理构型研究

采用拓扑优化的方法,对钢桥结构的合理构型设计进行了研究.首先,基于Hypermesh建立了一个矩形区域的初始有限元模型,在赋予钢材参数后,进行了静力分析.然后,对模型设定可设计区域,以结构刚度为约束条件,结构总质量最小为目标函数,应用OptStruct对钢桥进行了拓扑优化.最后,提炼结构优化后的计算模型,重新进行有限元静力分析,得到结构的位移和应力分布,并将优化结果与初始模型的结果进行了对比分析.研究结果表明:优化后的结构合理构型表现为拱和桁架的组合结构,通过优化设计,在结构刚度和强度基本不变的情况下,钢桥结构的总质量可降低54%.该方法应用于一个旧桥加固工程中,有效性和可行性得到了验证.     

基于等效耦合刚度的平面折展滑块机构分析

柔性铰链是实现平面折展柔顺机构运动的关键部分。如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题。综合考虑影响平面折展机构铰链刚度和精度特性的等效弯扭及拉压刚度,以LET铰链为例,分析在不同载荷下各个参数对弯扭与拉压等效耦合刚度的影响趋势,从而提出弯扭与拉压等效耦合刚度的概念。通过大量的实例计算和分析,推导出LET铰链弯扭与拉压等效耦合刚度的经验公式。基于等效耦合刚度经验公式,对平面折展柔顺滑块机构进行分析。应用等效耦合刚度公式与不应用等效耦合刚度公式两种情况的分析结果和有限元仿真结果表明,应用等效耦合刚度经验公式的滑块位移计算精度得到很大的提高,验证了等效耦合刚度经验公式的适用性。