一种柔性铰链的拓扑优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106096158A(43)申请公布日2016.11.09(21)申请号201610440183.8(22)申请日2016.06.16(71)申请人华南理工大学地址510640广东省广州市天河区五山路381号(72)发明人张宪民刘敏(74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限公司44102代理人何淑珍(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图3页(54)发明名称一种柔性铰链的拓扑优化设计方法(57)摘要本发明公开了一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，包括以下步骤：步骤1：建立柔性铰链拓扑优化设计模型，将典型切口柔性铰链轮廓设为设计域的形状，定义刚性区域(非设计域)；步骤2：建立柔性铰链拓扑优化有限元模型；步骤3：基于有限元模型建立柔性铰链拓扑优化问题数学模型；步骤4：计算柔性铰链拓扑优化问题的灵敏度；步骤5：采用优化算法求解柔性铰链拓扑优化问题，更新设计变量，得到最终拓扑结果图；步骤6：根据拓扑优化得到的最终拓扑结果图，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型柔性铰链。本发明采用拓扑优化方法在概念层面上设计柔性铰链，可以设计出结构更复杂、性能更优越的新型柔性铰链，具有更大柔度，更高精度以及更小的最大应力。CN106096158ACN106096158A权利要求书1/2页1.一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立柔性铰链拓扑优化设计模型，将典型切口柔性铰链轮廓设为设计域的形状，定义刚性区域；步骤2：建立柔性铰链拓扑优化有限元模型；步骤3：基于有限元模型建立柔性铰链拓扑优化问题数学模型；步骤4：计算柔性铰链拓扑优化问题的灵敏度；步骤5：采用优化算法求解柔性铰链拓扑优化问题，更新设计变量，得到最终拓扑结果图；步骤6：根据拓扑优化得到的最终拓扑结果图，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型柔性铰链。2.根据权利要求1所述的一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤1中所述的将典型切口柔性铰链轮廓设为设计域的形状的步骤具体包括：将圆，椭圆，抛物线，双曲线，V型设为设计域的形状，非设计域设置为矩形，其高度和设计域高度相等，长度设为设计域高度的3倍或以上。3.根据权利要求1所述的一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤2中所述的建立柔性铰链拓扑优化有限元模型的步骤具体包括：将设计域和非设计域分别离散为N和n个有限单元，非设计域的相对密度预先设为xi＝1，在输入端X和Y方向和输出端X和Y方向分别添加4个虚拟弹簧用于模拟铰链与工件之间的间隙和反作用力。4.根据权利要求1所述的一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤3中所述的基于有限元模型建立柔性铰链拓扑优化问题数学模型的步骤具体包括：最大化设计域右端中点位移且最小化设计域右端中点位移作为目标函数，体积比为约束条件，其优化数学模型如下：s.t:Kux＝FxKuy＝FyT*fv(x)＝vx≤V0＜xmin≤xi≤1,i＝1,2…,N，其中：w是权重系数，Fx为在非设计域右端中点X方向施加的载荷，Fy为在非设计域右端中点Y方向施加的载荷，为在载荷Fx作用下产生的设计域右端中点X方向的位移，*为在载荷Fy作用设计域右端中点Y方向的位移，和是拓扑优化迭代中的初始值，V为体积比，K为全局刚度矩阵，ux是由载荷Fx产生的位移场，uy是由载荷Fy产生的位移场，N为有限单元个数，xi为各有限单元的相对密度，xmin为最小相对密度，通常设为0.001。5.根据权利要求4所述的一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于：所述的6.根据权利要求1所述的一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤4中所2CN106096158A权利要求书2/2页述的计算柔性铰链拓扑优化问题的灵敏度的步骤采用伴随矩阵法求解目标函数和约束条件的灵敏度，其目标函数敏度分析为：约束函数敏度分析为：7.根据权利要求1所述的一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤5中所述的优化算法可以采用优化准则法或者移动渐进算法。8.根据权利要求1所述的一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤6中所述的根据拓扑优化得到的最终拓扑结果图，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型的柔性铰链的步骤具体包括：柔性铰链设计域的轮廓保持不变，通过适当修改拓扑优化得到的切口或者孔洞，设计出一种新型的柔性铰链。3CN106096158A说明书1/5页一种柔性铰链的拓扑优化设计方法技术领域[0001]本发明涉及柔性铰链结构设计领域，特别涉及一种柔性铰链的拓扑优化设计方法。背景技术[0002]柔性铰链是利用自身的弹性变形来完成运动和力的传递与转换,通常由一块板材料通过线切割加工而成，与传统的刚性运动副结构有