柔顺机构拓扑优化中铰链形状的实时重塑理论与方法

Topology optimization has become one of the most important two methods for designing compliant mechanisms. In the context of designing compliant mechanisms using topology optimization methods, one of the additional difficulties is that the obtained mechanisms are strongly related to the de facto hinges. Such de facto hinges make the obtained compliant mechanisms very difficult to fabricate, especially on the micro-scale. This project is devoted to develop a novel approach that can completely avoid de facto hinges so that the obtained mechanisms are easy to fabricate, free of stress concentration and suitable for generating distributed compliance. Firstly, the underlying reason of the de facto hinges will be analyzed. Methods for real-time quantificationally determining the numbers and locations of the de facto hinges will be developed based on analyze the characteristics of the hinge areas. Secondly, methods for shape re-building of the hinge areas will be developed. Based on the methods, optimization models will be developed. Effective methods for numerically solving these models will be further explored. Finally, the validity and versatility of the method will be examined by setting up the experimental platform. This work will further promote the development of compliant mechanisms.

作为柔顺机构的主要设计方法之一，拓扑优化设计所得机构普遍存在类似传统刚性机构中铰链的部分，给柔顺机构在微纳操作领域的实际应用带来很大困难。本项目研究一种新型的在柔顺机构拓扑优化设计中消除此类铰链的方法，从而在不降低机构性能的基础上，有效降低应力集中，提高其可加工性和疲劳可靠性。首先，研究此类铰链的产生机理，分析对比优化过程中机构内部铰链部分和其余部分的性能特点，探索设计过程中此类铰链数量和分布状况的定量化描述方法；其次，研究优化过程中铰链形状的实时重塑方法，实现铰链部分向等宽型梁的自动转变，建立相应的拓扑优化设计模型，并研究该模型高效稳定的求解算法；最后，建立设计所得机构的实验研究平台，对理论研究的有效性进行验证。本项目的研究对柔顺机构理论的进一步发展可起到积极的推动作用。

柔顺机构学经过约30年的发展，已成为现代机构学一个重要分支，并在微纳操作、软体机器人等领域得到了广泛应用，但柔顺机构的设计问题仍面临着挑战。本项目面向柔顺机构拓扑优化设计中的关键基础理论，研究了柔顺机构拓扑优化的无初始化水平集方法，提出了一种基于规范水平集函数的快速无初始化水平集方法；研究了分布式柔顺机构拓扑优化方法，提出了一种基于虚拟骨架的柔顺机构最小尺度约束方法，有效解决了柔顺机构拓扑优化设计时的类铰链问题；研究了柔顺铰链构型设计的拓扑优化方法，建立了一种基于对称性约束的柔顺铰链拓扑优化模型，实现了柔顺铰链构型的创新设计；研究了压力传感器膜片等典型的三维柔性结构的拓扑优化方法，有效扩展了拓扑优化在柔顺机构和结构中的应用。基于以上研究内容，发表论文29篇，其中SCI收录论文20篇（项目负责人一作/通讯SCI论文13篇），在Springer出版社合著出版英文专著1部。项目的研究成果将有效推动柔顺机构拓扑优化设计理论及方法的进一步完善。