具有内嵌智能多组件的微型柔性机构拓扑优化设计方法研究

Design of micro compliant mechanisms is of great importance in the development of micro weapon and micro-mechatronic systems. How to apply topology optimization technology to the design of micro compliant mechanisms with smart multiple components is a challenging research area. Hence, this project will develop a multi-criteria topology optimization method for the systematic design of smart compliant micro mechanisms integrated with embedded components. The methodology has three prominent characteristics. Firstly, in the layout description of embedded multi components, an implicit level set method is adopted to describe the moving boundaries of multi-interfaces. A collision constraint is imposed to avoid the overlaps among the components. Secondly, according to the natural behavior of compliant mechanisms, a multi-criteria involving strain energy and mechanical efficiency is used to reasonably embody the structural characteristics of compliant mechanisms. In addition, displacement and material selection are used as three external constraints in order to narrow the design domain down. Finally, the eigenvalue constraint of dynamic response is introduced to prevent the dynamic vibration between compliant micro mechanism and the external excitations. The proposed method has the advantage of simultaneously optimizing the positions of the smart embedded components and the major structure of compliant mechanism under multi-criteria. The proposed methodology can be straightforwardly extended to solve other design problems of complicated compliant micro mechanisms. Research project would promote theory development and engineering application of micro compliant mechanisms with smart multiple components topology optimization design.

内嵌智能多组件的微型柔性机构在发展微型武器系统和微电子元件中起到越来越重要的作用，采用拓扑优化方法开展内嵌有智能多组件的微型柔性机构优化设计是一个富有挑战性的研究方向。课题以内嵌智能多组件的微型柔性机构为研究对象，系统性地提出一体化、多准则拓扑优化设计的新方法。首先，在内嵌的智能多组件空间布局问题上，采用基于隐式边界的水平集方法描述智能多组件，通过组件间的碰撞约束来避免组件在动态移动时引发的重叠问题。其次，根据微型柔性机构设计的整体特性，在综合考虑机构应变能和机械效率的基础上，结合位移、材料选用和动态响应约束来缩小设计结果的搜索范围。最后，引入特征值约束来预防微型柔性机构与外界激励频率产生的共振问题。该方法的优势是：在多准则设计条件下，可以协同一体优化智能多组件和主体结构的拓扑构型；易于扩展并解决其它复杂微型柔性机构设计问题。课题研究将推动微型柔性机构拓扑优化设计的理论发展和工程应用。

运用拓扑优化的方法开展宏微观一体化拓扑优化设计，往往可以获得更加优异的结构性能或者不同寻常的复合结构属性，例如负泊松比材料（NPR）、热弹性超材料、拉胀材料。NPR材料表现出反直觉的弹性特性：拉伸时侧向膨胀，压缩时侧向收缩。超材料是人工设计的复合材料，具有在自然界很难找到的特殊性质，它们的特点通常是由许多周期性的微结构组成的组合体，这些微结构由传统材料（如金属或塑料）制成，因此，复合结构不寻常性能的获得同时受到了宏微观结构和材料构成的影响，研究具有内嵌微结构组件的结构材料一体化问题具有很大的价值。.针对具有多种微结构组件的结构材料一体化拓扑优化设计问题开展了系统研究，首先，提出了一种新的分层多尺度公式，该公式既考虑微观结构的并行设计，又考虑承载微结构的宏观结构一体化设计。宏观结构具有一组非均匀分布的多域结构，而每个区域具有许多相同类型材料微观结构（或者体积分数）。在微观尺度上，每个宏观单元都被视为具有相应中间密度的材料微观结构。因此，所有具有相同离散密度（体积分数）的宏元素都被表示为独特的微观结构。将数值均匀化方法与参数水平集方法相结合，对不同密度组的典型微结构进行拓扑优化。同时，多尺度一体化设计被集成到统一的优化框架中，实现了并行优化宏观结构及其微观结构的拓扑结构，以及微观结构在设计空间中的位置。通过典型算例优化结果表明，所提出的方法可以显著提升结构性能，同时减少计算和制造成本。作为一种较为通用的结构材料一体化拓扑优化方法，该方法被应用到热弹性超材料的设计中并获得了预期的复合超材料属性。