拓?fù)鋬?yōu)化在微型柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用_圖文

1、建筑科學(xué)而碌蕊拓?fù)鋬?yōu)化在微型柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用衛(wèi)麗君（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院）摘要：針對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)中微夾鉗、微型柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)兩種典型的微型柔性結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想，采用變密度法原理。基于軟件拓?fù)鋬?yōu)化平臺(tái)，建立了靜、動(dòng)力學(xué)兩種不同特性下的拓?fù)鋬?yōu)化模型。分析并研究了結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化參數(shù)，網(wǎng)格劃分形式、外載荷加載方式等對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的影響。并針對(duì)出現(xiàn)網(wǎng)格依賴性現(xiàn)象的處理進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：微型柔性結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格依賴中圖分類號(hào)：近年來(lái)，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（，）的迅速發(fā)展，微型柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。微型柔性結(jié)構(gòu)具有零件少，便于制造，無(wú)需鉸鏈或軸承等運(yùn)動(dòng)副，

2、無(wú)摩擦、可存儲(chǔ)能量等許多優(yōu)點(diǎn)，因此其設(shè)計(jì)也逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前在微機(jī)電系統(tǒng)中，對(duì)靜力學(xué)性能的優(yōu)化占主導(dǎo)地位，常見(jiàn)的有微夾鉗結(jié)構(gòu)，熱動(dòng)式微致動(dòng)器，微位移結(jié)構(gòu)等，對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)化較少，但是為保證一些機(jī)構(gòu)具有很高的定位精度和較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力，僅以靜力學(xué)性能作為指標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)難以滿足要求，因此，動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)在中也有其重要的意義“。目前，均勻化方法以及變密度法都是較為有效的對(duì)微型柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的方法，雖然拓?fù)鋬?yōu)化中還存在許多問(wèn)題需要解決，但是，由于它可大大改善結(jié)構(gòu)性能或減輕結(jié)構(gòu)重量，得到好的優(yōu)化結(jié)果，所以，被廣泛認(rèn)為是最具有挑戰(zhàn)性和潛在經(jīng)濟(jì)效益的研究領(lǐng)域之一。本文利

3、用平臺(tái)，研究了靜，動(dòng)力學(xué)特性拓?fù)鋬?yōu)化模型在微型柔性結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，給出了幾種典型結(jié)構(gòu)的拓補(bǔ)優(yōu)化結(jié)果。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型及方法拓?fù)鋬?yōu)化中常用研究方法有：均勻化方法，變密度法，漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法，拓?fù)浜瘮?shù)描述方法等。其中最具代表性的是均勻化方法和變密度法。本文采用變密度法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。變密度法是將連續(xù)體結(jié)構(gòu)離散為有限元模型后，引人中間密度懲罰項(xiàng)，假想一種密度值為【一】之間的可變材料，以單元密度為設(shè)計(jì)變量，將離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為連續(xù)體結(jié)構(gòu)單元材料最優(yōu)分布問(wèn)題，進(jìn)行求解。變密度法算法易于實(shí)現(xiàn)，在工程上是較具有應(yīng)用前景的一種拓?fù)鋬?yōu)化方法¨。，靜力特性的拓?fù)鋬?yōu)化模型本文中靜力拓?fù)鋬?yōu)化的模型，是在靜載荷

4、或者溫度載荷的條件下，以輸出位移最大或者柔度最小為目標(biāo)函數(shù)，約束條件為體積約束，建立如下優(yōu)化模型：黜（一七（劉、，玉，。，為設(shè)計(jì)變量目標(biāo)函數(shù)（）為輸出點(diǎn)位移，礦為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的有效體積，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)煎的體積量，為體積約束的百分比，為設(shè)計(jì)變量數(shù)。動(dòng)力特性的拓?fù)鋬?yōu)化模型針對(duì)頻率的動(dòng)力特性拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，基本萬(wàn)方數(shù)據(jù)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：一（）（）一思想是改善結(jié)構(gòu)的頻率特性，即模態(tài)特性，使得所配置的結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、以及阻尼特性得到優(yōu)化。無(wú)阻尼自由振動(dòng)模型的特征值可由如下兩式表達(dá)：【】，剁（）厶一一礦掣（）因此頻率特性的優(yōu)化模型建立如下：簍鬻，正礦（）玉，丘是結(jié)構(gòu)剛度矩陣，是質(zhì)量矩陣，和為特征值和特征向

5、量為固有頻率，是第階特征值倒數(shù)的加權(quán)系數(shù)。微型柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)微型柔性結(jié)構(gòu)是指能通過(guò)其部分或全部具有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)生位移的微小型機(jī)圖兩種微夾鉗的幾何模型械結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：一種是集中式柔性機(jī)構(gòu)】，采用偽剛體法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但不適于加工制造和運(yùn)動(dòng)等具體要求。另一種結(jié)構(gòu)形式是分布式柔性結(jié)構(gòu)，其中不存在運(yùn)動(dòng)接觸副，變形較為均勻地分布于整個(gè)機(jī)構(gòu)，可避免采用偽剛體法設(shè)計(jì)時(shí)所帶來(lái)的應(yīng)力集中和部件承受循環(huán)載荷造成的疲勞破壞”。因而分布式柔性結(jié)構(gòu)成為近年來(lái)研究的主要方向。均勻化方法以及變密度法都是較為有效（）聲的對(duì)微型柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的方法。柔圖不同體積約束性機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)

6、生的，因此涉及到大變形和幾何非線性的問(wèn)題，通常計(jì)算所需要的有限元方程是場(chǎng)變量的非線性形式【。本文是通過(guò)拓補(bǔ)優(yōu)化方法來(lái)設(shè)計(jì)中的靜動(dòng)兩種不同的微型柔性結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化分析微型柔性結(jié)構(gòu)的靜力拓?fù)鋬?yōu)化（）×（）×微夾鉗結(jié)構(gòu)圖不同網(wǎng)格劃分微夾鉗是一種典型的微小型柔性結(jié)構(gòu)，可以完成微小零件的夾取、運(yùn)送及裝配。在微機(jī)力和約束，也會(huì)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)果的不同。械零件的加工和裝配，生物工程和光學(xué)研究以第一種微夾鉗結(jié)構(gòu)為例，不同體積約束等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。和不同網(wǎng)格劃分下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果見(jiàn)下面的圖中是用以上方法計(jì)算的兩種微夾鉗機(jī)圖和圖。構(gòu)的算例。假定所夾持微型工件的剛度為由圖可以看出，體積約束可以很

7、明顯地腳，材料彈性摸量為，泊松比影響到最終優(yōu)他結(jié)果，材料過(guò)少會(huì)影響結(jié)構(gòu)的為，輸為瓦。模型中單位為刪。整體強(qiáng)度，材料過(guò)多會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，通過(guò)分析計(jì)算。，取為最合適。由圖可見(jiàn)，對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域給出不同的驅(qū)動(dòng)通過(guò)對(duì)比可以看出，拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)結(jié)果對(duì)網(wǎng)科技咨詢導(dǎo)投 ？，。建筑科學(xué)電系統(tǒng)中的應(yīng)用【】大連理工大學(xué)，【于靖軍，周強(qiáng)，畢樹(shù)生，宗光華基于動(dòng)力學(xué)性能的全柔性機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械工程學(xué)報(bào)，（）【】羅震郭文德，蒙永立，陳立平全柔性微型機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究航空學(xué)報(bào)，（）【】，格劃分有很強(qiáng)的依賴性。微型柔性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力拓?fù)鋬?yōu)化優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的前三階固有頻率分別為石，石，同時(shí)結(jié)構(gòu)柔順度由減小到。柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用很廣的全柔

8、性機(jī)構(gòu)，對(duì)其中的柔性鉸鏈進(jìn)行優(yōu)化，是對(duì)柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的第一階段。這里以一種柔性鉸鏈為例，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)模型拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用。柔性鉸鏈輪廓如圖所示，單位為“。楊氏模量為，泊松比為，密度為，拓?fù)淝皩?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以結(jié)語(yǔ)微型柔性結(jié)構(gòu)的靜，動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化在目前的系統(tǒng)中有著很重要的地位，在工程中有著廣泛的應(yīng)用，商用軟件可以方便地進(jìn)行非線性、多目標(biāo)等優(yōu)化，最大程度地提高計(jì)算效率，但是有時(shí)為改善優(yōu)化過(guò)程中出現(xiàn)的一些數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，比如網(wǎng)格依賴性、棋【】得到前三階固有頻率為，正，厶，以頻率最大為目標(biāo)函數(shù)，用密度法拓?fù)浜?，結(jié)果如圖。，：，所示。盤格現(xiàn)象等，仍需要加入一些自己的優(yōu)化算法，此時(shí)則需要進(jìn)行二次開(kāi)

9、發(fā)。通過(guò)算例可以看出，拓?fù)鋬?yōu)化方法在節(jié)省材料，提高結(jié)構(gòu)性能方面存在明顯的優(yōu)勢(shì)，因此具有很大的應(yīng)用潛力?！尽繀⒖嘉墨I(xiàn)【】左孔天連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論與應(yīng)用研究】華中科技大學(xué)，【】褚金奎，郝秀春。壬立鼎柔性結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中幾種求孵方法的比較。微納電子技術(shù)，（）（）（）【】李震柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法及其在微機(jī)圖柔性鉸鏈輪廓尺寸及動(dòng)力拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果（上接頁(yè)）量無(wú)效冷水，大多數(shù)集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象。無(wú)循環(huán)系統(tǒng)管線較簡(jiǎn)單，改造工程投資少，收效快，較易施行。修訂后的建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范綠化景觀用水以及其他適應(yīng)中水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的用水。降雨發(fā)生時(shí)，用導(dǎo)管把屋頂?shù)挠晁嗽O(shè)在地下的雨水沉沙池，沉積后流入蓄水池

10、，用水泵抽到雜用水蓄水池，加氯消毒后送人中水道系統(tǒng)。目前世界上許多國(guó)家都展開(kāi)了對(duì)雨水利用的研究，將收集到的雨水用于消防、小區(qū)綠化洗車、廁所沖洗和冷卻水補(bǔ)給等，以節(jié)約水資源，減輕當(dāng)?shù)氐挠糜篮臀鬯幚碡?fù)擔(dān)，甚至可以將雨水深度處理后作為飲用水。水表管理（）提高水表計(jì)量的準(zhǔn)確度水表計(jì)量的準(zhǔn)確性關(guān)系到對(duì)漏損控制的以及采用的對(duì)策，應(yīng)適用合適型號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)的水表以提高計(jì)量的準(zhǔn)確度，有效節(jié)水【。（）限制使用年限隨著零部件的磨損，水表的使用時(shí)間越長(zhǎng)，準(zhǔn)確度越低。為了保證水表的工作精度，有關(guān)主管部門有必要根據(jù)國(guó)家規(guī)定強(qiáng)制檢定限期使用，到期更換。（）推廣卡水表和遠(yuǎn)傳水表等智能水表本著節(jié)水的目標(biāo)，應(yīng)該在居民區(qū)公共場(chǎng)所如浴

11、池等地方推廣卡水表和遠(yuǎn)傳水表【”。真空節(jié)水技術(shù)為了使衛(wèi)生浩具及下水道的沖洗效果良好。可將真空技術(shù)運(yùn)用于排水工程，用空氣代替大部分水，依靠真空負(fù)壓產(chǎn)生的高速氣水混合物，快速將潔具內(nèi)的污水、污物沖洗干凈，達(dá)到節(jié)約用水排走污濁空氣的效果。在各類建筑中采用真空技術(shù)，平均節(jié)水超過(guò)若在辦公樓中使用，節(jié)水率可超過(guò)】。的挑戰(zhàn)。建筑給排水實(shí)用新技術(shù)將更突出以人為本的原則，并將重點(diǎn)調(diào)整到民用建筑與工業(yè)建筑并重，公共建筑與居住建筑并重，冷水供應(yīng)與熱水供應(yīng)并重，供水的水量，水壓與水質(zhì)并重等方向上來(lái)，走上全面，均衡、務(wù)實(shí)，安全的發(fā)展之路。給出兩種循環(huán)方式，即立管、干管循環(huán)和支管、立管、干管循環(huán)。取消了干管循環(huán)，強(qiáng)調(diào)了循

12、環(huán)系統(tǒng)均應(yīng)保證立管和千管中熱水的循環(huán)，對(duì)節(jié)水、節(jié)能有著重要的作用¨。開(kāi)發(fā)中水中水利用是實(shí)現(xiàn)污水資源化，節(jié)約水資源的有力措施，是今后節(jié)水發(fā)展的必然方向。中水包括人們?nèi)粘Ｉ钪信懦龅纳钗鬯蜕顝U水。生活廢永包括冷卻排永，沐浴排參考文獻(xiàn)【】姜文源建筑給排水技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨向給水排水【】趙妹麗，陳玉麗民用建筑節(jié)水措施研究節(jié)能，（）【許萍劉曉冬節(jié)水型永龍頭普及中的問(wèn)題及建議給水排水，（）【】蔡字仕建筑給排水設(shè)計(jì)節(jié)水措施的探討水、盟冼排水，洗衣排水及廚房排水等雜排水。中水指的是各種排水經(jīng)過(guò)處理后，達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在生活市政環(huán)境等范圍內(nèi)雜用的非飲用水。用一立方米中水道的水。等于少用一立方米清潔永，少排出近一立方米污水，一舉兩得，達(dá)到節(jié)水近。我國(guó)的建筑排水量中生活廢水所占份額住宅為，賓館、飯店為辦公樓為，如果收集起來(lái)經(jīng)過(guò)凈化處理成為中水，用作建筑雜用水和城市雜用水，如沖廁所、道路清掃、城市綠化車輛沖洗、建筑施工、消防等雜用，從而替代出等量的自來(lái)水，可以減輕市政供水負(fù)擔(dān)。在水資源越發(fā)短缺的緊迫形勢(shì)下，大力利用中水勢(shì)在必行，大連、天津、青島、太原、深圳等城市也先后建成一系列中水工程，