论文摘要
柔顺机构是一种利用构件自身的弹性变形来完成力、运动和能量的传递与转换的新型机构。与传统的刚性机构相比,柔顺机构具有减少构件数量和装配时间、简化加工工序、无摩擦磨损和运动副间隙,以及能降低振动和噪音等优点,成为机构学界研究领域的新热点。现阶段对柔顺机构的设计方法分为两种,一种是基于伪刚体模型的设计法；另一种是基于结构拓扑优化理论的设计方法。利用拓扑优化理论对柔顺机构进行设计时,只需给定设计域和指定输入输出位置,无需从一个已知的刚性机构出发,且所得的机构具有优化的力——位移输入输出关系,因而引起了人们的重视。柔顺机构的拓扑优化技术出现晚、发展快,仍存在许多难点和亟待研究的问题,应力强度设计就是其中之一。柔顺机构在工作中必然要承受到外界载荷的作用,结构内部产生了应力,如果局部应力过大,机构就会失效,随着柔顺机构在航空航天、MEMS和精密机械等领域的广泛应用,柔顺机构强度设计方法的研究就显得十分迫切。本文在学习和研究国内外大量文献的基础上,基于拓扑优化理论和有限元的相关知识,对柔顺机构的应力强度设计方法展开研究,主要研究内容如下：(1)考察弹性模量、设计域的厚度、外载荷和体积比的变化对优化结构中最大等效应力的影响。(2)根据体积比与结构最大等效应力的关系,提出了一种通过寻找合适的体积比来满足应力强度条件的方法——体积比控制法,数值算例证明了该方法的正确性和有效性。(3)基于满应力设计的思想并选取单元厚度为设计变量,提出了一种在柔顺机构的拓扑优化过程中通过控制单元厚度来满足应力强度条件的方法——单元厚度控制法,并根据工程实用性对算法进行改进,数值算例证明了该方法的有效性和正确性。