基于拓扑优化的柔顺机构应力强度设计方法研究.pdf

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1、学校代码：10255学号：2080520基于拓扑优化的柔顾机构应力强度设计方法研究ResearchonStrengthFailureDesignforCompliantMechanismswithTopologyOptimization作者姓名：专业名称：导师姓名：东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文

2、作者签名：勇专程燮Ft期：2DI1年2月2P日东华大学学位论文版权使用说明书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行监视，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在——年内解密后适用本版本授权书本学位论文属于不保密囱。学位论文作者签名：张稻瞍指⋯躲砚二琵日期：2111年上月工2日日期：2011年2月2-8日东华大学硕士学位论文摘要基于拓扑优化的柔顺机构应力强度设计方法研究摘要柔顺机构是一种利用构件自身的弹性

3、变形来完成力、运动和能量的传递与转换的新型机构。与传统的刚性机构相比，柔顺机构具有减少构件数量和装配时间、简化加工工序、无摩擦磨损和运动副间隙，以及能降低振动和噪音等优点，成为机构学界研究领域的新热点。现阶段对柔顺机构的设计方法分为两种，一种是基于伪刚体模型的设计法；另一种是基于结构拓扑优化理论的设计方法。利用拓扑优化理论对柔顺机构进行设计时，只需给定设计域和指定输入输出位置，无需从一个已知的刚性机构出发，且所得的机构具有优化的力——位移输入输出关系，因而引起了人们的重视。柔顺机构的拓扑优化技术出现晚、发展快，仍存在许多难点和亟待研究的问题，应力强度设计就是其中之一。柔顺机构在工作中必

4、然要承受到外界载荷的作用，结构内部产生了应力，如果局部应力过大，机构就会失效，随着柔顺机构在航空航天、MEMS和精密机械等领域的广泛应用，柔顺机构强度设计方法的研究就显得十分迫切。本文在学习和研究国内外大量文献的基础上，基于拓扑优化理论和有限元的相关知识，对柔顺机构的应力强度设计方法展开研究，主要研究内容如下：(1)考察弹性模量、设计域的厚度、外载荷和体积比的变化对优化结构中最大等效应力的影响。东华大学硕士学位论文摘要(2)根据体积比与结构最大等效应力的关系，提出了一种通过寻找合适的体积比来满足应力强度条件的方法一体积比控制法，数值算例证明了该方法的正确性和有效性。(3)基于满应力设计

5、的思想并选取单元厚度为设计变量，提出了一种在柔顺机构的拓扑优化过程中通过控制单元厚度来满足应力强度条件的方法——单元厚度控制法，并根据工程实用性对算法进行改进，数值算例证明了该方法的有效性和正确性。关键词：柔顺机构，拓扑优化，强度设计，密度惩罚法东华大学硕士学位论文ABSTRACTResearchonStrengthFailureDesignforCompliantMechanismswithTopologyOptimizationABSTRACTCompliantmechanismisakindofnewmechanismswhichcouldtransfermovementandf

6、orcethroughtheelasticdeformationofitscomponents．Comparedwiththetraditionalrigid-bodymechanism，compliantmechanismhaslesscomponents，useslessassemblytime，hasnofrictionalweal-andkinematicpairgaps，SOitbecomesahotspotofmechanismresearch．Atpresent,therearetwowaystodesigncompliantmechanisms，oneisbasedon

7、pseudo-rigid—bodymode，andtheotherisachievedthroughtopologicaloptimizationtheory．Whendesigningcompliantmechanismthroughtopologicaloptimizationtheory，thedesigndomainandthelocationofinputandoutputareonlyneed，anexistingmechanism