基于柔顺铰链拓扑优化的桥式位移放大机构设计、分析与实验测试

摘要

柔顺桥式位移放大机构被广泛用作精密定位与微纳操作装备的传动机构,其设计与建模问题是精密工程领域的研究热点。传统研究并未解决配置何种拓扑结构的柔顺铰链能设计出具有最优输出特性的桥式位移放大机构的问题,而现有的柔顺铰链拓扑优化研究一般不考虑实际柔顺机构的内力分布特性,影响了拓扑优化结果在实际柔顺机构中的应用效果。对基于柔顺铰链拓扑优化的桥式位移放大机构进行了设计、分析与实验测试。首先,在柔顺铰链拓扑结构未知的条件下,分析桥式位移放大机构的内力分布特性。结合内力分布特性与变密度法,以最大化柔度为目标函数,对柔顺铰链进行拓扑优化设计,从优化柔顺铰链拓扑结构层面提升机构输出特性。在不同体积约束条件下,桥式位移放大机构柔顺铰链的拓扑优化结果均呈V字型结构。然后,运用矩阵位移法、卡氏第二定理与并联机构柔度矩阵的关系,对V字型柔顺铰链进行静力学建模。结合V字型柔顺铰链柔度矩阵、桥式位移放大机构内力分布特性与串联机构柔度矩阵的关系,推导出基于柔顺铰链拓扑优化的桥式位移放大机构输出位移与输入力之间的解析关系,并对机构进行尺寸优化设计,进一步提升机构输出特性。有限元仿真与实验测试验证了桥式位移放大机构柔顺铰链的拓扑优化结果、V字型柔顺铰链静力学建模与机构尺寸优化设计的有效性。