[發明專利]一種基于基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲優化方法

有效

• 申請號: 202310927772.9
• 申請日: 2023-07-27
• 公開（公告）號: CN116644535B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 占金青;晏家坤;劉敏;楊新峰;周程靈
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/18;G06F30/23;G16C60/00;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 徐超

本發明提供了一種基于基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲優化方法，該方法包括定義設計域、初始化設計參數，采用SIMP插值模型與有限元法計算柔性鉸鏈結構的單元剛度、質量矩陣、位移場和固有頻率，以軸向柔度最小化和固有頻率最大化構建多目標優化函數，以柔性鉸鏈y方向柔度、轉動中心及結構體積為約束，構建基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲優化模型，采用伴隨矩陣法進行解靈敏度分析，采用移動漸近優化算法求解拓撲優化問題，更新迭代直至滿足收斂準則，得到最優拓撲構型，本發明所獲得的柔性鉸鏈轉動柔度與傳統直圓型柔性鉸鏈相同，具有相同的轉動性能，但第一階固有頻率提高了90%以上，使得柔性鉸鏈具有更優的動態性能。

技術領域

本發明屬于柔順機構優化設計相關技術領域，具體地涉及一種基于基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲優化方法。

背景技術

柔順機構是利用內部彈性元件產生彈性變形來實現傳遞力、能量和運動功能。相較于傳統的剛性機構而言，柔順機構具有以下優點：（1）一體化加工設計，免裝配；（2）制造成本低，節約材料；（3）無運動副連接，無間隙、摩擦，精度高；（4）易于實現能量的傳遞與轉化，驅動效率高等。柔順機構已在微納操作、微機電系統、航空航天以及生物醫療顯微操作(顯微定位、夾取、穿刺和注射)等領域得到廣泛應用。

柔性鉸鏈作為柔順機構中承載變形的關鍵部分，柔性鉸鏈性能的好壞直接決定了整個柔順機構的功能的實現。柔性鉸鏈是一種結構簡單、形狀較為規則的連接兩個剛性構件間的較薄的彈性支承，通過彈性變形產生運動，它是集中式柔順機構的重要組成部分。

當外界激發的頻率與柔性鉸鏈固有特征頻率接近，容易引起機構產生共振現象，為防止機構發生共振，采用增大機構的特征頻率來避開外界激勵的頻率，然而目前基于拓撲優化的柔性鉸鏈設計方法沒有考慮機構頻率優化，導致柔性鉸鏈的動態性能不好。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲優化方法，在柔性鉸鏈方向柔度、轉動中心及結構體積約束條件下使得柔性鉸鏈基頻最大化，以避免激振頻率產生共振，以提高柔性鉸鏈動態性能。

該發明提供以下技術方案，一種基于基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲優化方法，所述方法包括：

S1、定義柔性鉸鏈的設計域、作用載荷、邊界條件，設置人工彈簧剛度、設計變量初始值、過濾半徑、材料屬性、結構體積約束、轉動柔度約束值；

S2、將所述設計域離散為 N個有限單元，采用改進的 SIMP插值模型以及有限元分析計算所述柔性鉸鏈的單元剛度矩陣、單元質量矩陣、位移場和固有頻率；

S3、以所述柔性鉸鏈的軸向柔度最小化和固有頻率最大化構建多目標優化函數，以柔性鉸鏈 y方向柔度、轉動中心及結構體積為約束，建立考慮基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲優化模型；

S4、通過所述柔性鉸鏈拓撲優化模型求解優化目標和約束，利用伴隨矩陣法求解目標函數和約束函數的靈敏度信息，采用 Heaviside映射過濾方法修正靈敏度；

S5、利用移動漸近算法更新設計變量，求解拓撲優化問題，判斷優化算法收斂條件是否滿足，若不滿足，返回執行所述采用改進的 SIMP插值模型以及有限元分析計算所述柔性鉸鏈的單元剛度矩陣、單元質量矩陣、位移場和固有頻率的步驟；若滿足，拓撲優化過程結束，獲得具有規定柔度且基頻最大化的柔性鉸鏈拓撲構型。