基于偶应力/应变梯度的无铰链式微型柔顺机构构型设计理论

Micro compliant mechanisms has a great potential application in aerospace engineering, biomedical science, human-like robot and other High-tech fields. That is the reason the design of compliant mechanisms of specific performance in micro-scale become an important research goal. At present, the topology design methods of compliant mechanisms based on macro-continuum mechanics may not fulfill the design requirements of scale and precision in ultra-precision MEMS(Micro Electro Mechanical System). Therefore, a systematic and reliable design method is required to be developed. This study aim to achieve the description and evolution of topology of hinge-free compliant mechanism，layout of control assembly and etc. by combine the technique of topology optimization, and to obtain the collaborative design of whole compliant mechanism system in micro-scale. Which include: investigate the optimum design of components for specific mechanical property in micro-scale; establish topology design methodology optimization for hinge-free micro compliant mechanism; extend it into the field of whole control system; explore the concurrent descriptions of layout of control strategy and topology of compliant mechanism; and establish a collaborative design theory of topology of micro hinge-free compliant mechanism, layout of control assembly，control parameters. Some kinds of micro compliant mechanism in MEMS will be built, like medical micro gripper and etc., to meet the specific demand of typical ultra-precision MEMS.

微型柔顺机构在航天航空、生物医疗、及仿生机器人等高新科技领域的精密微机械系统中拥有巨大的应用潜力。因此，在微尺度领域中设计具有特定性能的柔顺机构系统成为重要的研究目标。目前，基于宏观连续介质力学的柔顺机构构型设计方法很难满足高精密微机械系统的尺度、控制精度等设计要求，需要发展系统可靠的设计方法。本项研究借助拓扑优化技术，实现全柔性无铰链式微型柔顺机构拓扑及控制组件布局等的描述及其演化；基于偶应力/应变梯度理论的微尺度有限元方法，实现整个柔顺机构系统的协同设计。具体包括，建立无铰链式全柔性微型柔顺机构拓扑优化设计理论；并将其扩展到整个控制系统的设计当中，探索柔顺机构拓扑与控制策略的协同描述，建立柔顺机构拓扑、控制组件布局、及控制参数多层次协同优化设计的理论。针对典型微机械系统的特定需求，设计若干微型柔顺机构系统，如医用微型夹钳等。

微型结构与柔顺机构在航天航空、生物医疗、及仿生机器人等高新科技领域的精密微机械系统中拥有巨大的应用潜力。因此，在微尺度领域中设计具有特定性能的结构与柔顺机构系统成为重要的研究目标。目前，基于宏观连续介质力学的构型设计方法很难满足高精密微机械系统的尺度、控制精度等设计要求。基于此研究背景，本项目主要研究内容可概括为在微尺度领域利用拓扑优化技术设计结构与柔顺机构的构型，具体研究内容可分为：第一部分是结构与柔顺机构的拓扑优化设计；第二部分为多尺度领域内优化求解方法的研究。针对以上研究内容，首先将SIMP方法与BESO方法相融合，提出了材料与结构一体化设计的混合求解算法，充分考虑了微观材料构型对结构最优拓扑形式的影响，即尺度效应；然后针对微型薄膜结构具有拉压不同模量的特性，建立基于牛顿拉夫逊格式的数值求解方法，并完成了单纯只能受拉 /压结构的拓扑优化设计；最后基于偶应力理论，建立了无铰链柔顺机构的拓扑优化模型，在不同尺度下获得最优的柔顺机构构型方式。在项目的进行过程中研究了基于多层前向BP神经网络算法的杆系结构有限元分析方法，并且提出了基于精英遗传算法的刚架参数优化设计方法，为复杂微机电系统的优化设计奠定了理论提供有效的求解方法。