考慮纖維角度變化的各向異性材料柔順機構拓撲優化設計

占金青,秦洋洋,劉敏

(華東交通大學 機電與車輛工程學院,南昌 330013)

柔順機構是利用其柔性部件或機構整體的彈性變形將力、運動和能量從輸入端傳遞到輸出端的一種機構[1-3]。與傳統的剛性機構比較,柔順機構具有結構簡單、無摩擦、重量輕、易加工、精度高等優點。因此,柔順機構在航空航天、微機電系統、醫療器械、精密定位操作等領域中具有廣闊的應用前景[4-6]。

目前,柔順機構拓撲優化設計研究大多采用單一材料設計[7-10],然而單一材料柔順機構表現出變形與承載的局限性。與各向同性材料相比,復合材料具有獨特的各向異性特性,這為柔順機構克服以上不足提供一種有效途徑[11]。梁森等[12]在給定層合纖維方向下,采用水平集方法進行復合材料層合結構拓撲設計。Li等[13]基于經典層合板理論推導平面應力問題的層合板本構關系,建立各向異性材料柔順機構拓撲優化模型,進行單輸入多輸出柔順機構設計。Tong等[14]考慮給定層合纖維方向的前提下,進行常剛度層合板的柔順機構拓撲優化設計,分析不同層合板每層的固定纖維方向對拓撲構型、變形能力和應力的影響。Tong等[15]提出以層合參數和單元相對密度為設計變量的常剛度層合板纖維方向與拓撲聯合優化數學模型,實現了機構構型和層合纖維方向的聯合優化設計,但是每層所有的設計單元的纖維角度都是一樣的,沒有進行單層的纖維角度優化。在此基礎上,將該方法進行柔性機翼前后緣層合板纖維方向與構型設計[16]。……