精密微小结构表面拓扑形貌优化设计理论研究

Microstructure with flexibility, high speed and accuracy is widely used in various micro operations. For example, in HDD, since the suspension carries a magnetic head over the surface of disk and positions it to a target track with high acceleration and positioning accuracy，its dynamical feature is important to positioning accuracy. In this project, the static or dynamical performance of microstructure will be improved by optimizing its topography with respect of work characteristics of microstructure. Our work will place great emphasis on the researches of basic theory and methodology of microstructural topography optimization. In these research work, the ruler of structural topographical evolution, including stiffener's generation, expansion, bifurcation and integration, is studied by using isogeometric analysis. Then, the optimal design model and algorithm of microstructural topography, including shape, size, and distribution of stiffener on structure, are presented to make intelligent design of microstructural topography by structural static or dynamical performance. Finally, the robust design of microstructural topography will be considered carefully. These researches will present a new design method for microstructural topography design and other application.

柔性且运动速度和精度要求都很高的微小结构广泛应用于各种精密微操作。如硬盘驱动器中，驱动臂带动磁头在磁道间作高速高精度的寻道运动，其动力学特性对寻道精度有着重要的影响。本项目旨在针对微小结构件的工作特点，从改变结构表面拓扑形貌入手来改善结构的静、动态特性。重点研究微小结构表面拓扑形貌优化设计的基本理论与方法，采用等几何分析技术作为工具对结构表面加筋的生成、生长、分叉和融合等迁移进化规律进行研究，构建微小结构表面的加筋形状、尺寸、空间布置等表面拓扑形貌优化设计的建模和优化的方法，实现基于结构静、动态性能的结构表面拓扑形貌的智能化设计，并综合考虑结构设计健壮性问题，解决在高速高精度微小结构表面拓扑形貌设计的难题，为高性能微小构件的优化设计提供一个新的方法。

精密柔性结构广泛应用于各种精密微操作。本项目从改变结构表面拓扑形貌入手来改善结构的静、动态特性，研究微小结构表面拓扑形貌优化设计的基本理论与方法，构建结构表面的加筋形状、尺寸、空间布置等表面形貌设计的优化方法，解决高速高精度微小结构表面拓扑形貌设计难题。主要研究内容和成果如下：.1、研究等几何分析方法（IGA）应用于结构计算的相关基础理论和技术方法。1)对控制顶点数量、位置、边界条件处理、单元数量、h-细分方法和p-细分方法、NURBS网格阶数和疏密程度等对计算精度和收敛性的影响进行细致研究;研究了计算过程中网格实时调整和细化的技术和方法。2)IGA建模、实体单元/板壳单元、单元细分等程序的编制和调试，建立了相关程序库。..2、建立了等厚度RM壳单元等几何分析方法，推导了坐标系统构造、位移插补模型等；针对二维平面形状优化问题，以控制顶点为设计变量，推导了灵敏度表达式和基于GeoPDEs平台的灵敏度实现方法；针对在复杂边界表示上的困难，将有限元胞法引入到等几何结构优化中，分别采用Heaside函数和Dirac函数来计算虚拟域刚度矩阵，实现了复杂结构计算域的结构形状表达，建立了基于有限元胞法IGA优化方法；提出了基于控制顶点移动的结构表面形貌优化设计模型，建立了基于实体单元和壳单元的模型的表达、约束、目标函数灵敏度进行分析研究,构建结构表面拓扑形貌优化设计模型和优化方法。对典型结构进行优化，得到了良好的结构表面形貌。该方法收敛速度快、优化过程稳定。.3）开展了计算机仿真和增材制造快速验证。通过将基于IGA的计算结果直接输入CAD系统，并通过增材制造方法制造出模型，进行了优化设计方案的快速验证。.已发表论文8篇，其中sci/ei检索6篇，申请发明专利2项，项目负责人2014年以第四完成人获江苏省科技三等奖1项。