[发明专利]一种基于遗传算法的电化学致动器结构优化分析方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于遗传算法的电化学致动器结构优化分析方法及系统，适用于材料在电解液当中发生电化学致动反应过程的有限元方法数值模拟计算，同时结合遗传算法达到对材料的致动性能优化的目的。该方法基于本征应力模型，结合有限元方法，通过程序实现自动化随机建模达到有效计算不同结构下材料的宏观应变，在结合遗传算法的条件下，优化材料的结构以增加材料的宏观应变，有效提高材料的致动性能。本发明方法能实现利用有限元方法自动随机建模，模拟各种不同构型的电化学致动器，通过施加表面应力再实现自动提取结构的宏观应变，最后结合遗传算法反向地对材料的结构进行优化，所需的计算资源和计算时间更少，效率更高，成本更低。

技术领域

本发明涉及一种电化学致动器结构优化分析方法及系统，适用于材料在电解液当中发生电化学致动反应过程的有限元方法数值模拟计算，同时结合遗传算法达到对材料的致动性能优化的目的。

背景技术

从软机器人、自动聚焦的微透镜到人工肌肉，将电能转化为机械能的电化学装置都具有很大潜力。迄今为止，实现大应变对于电化学致动器仍然具有挑战性。

电化学致动器的突出优点是操作电压低且在电解质溶液中工作。有研究发现电化学致动器的韧带尺寸与构型会影响电解质溶液中材料的宏观变形，从而改变材料性能。因此，在电化学致动器材料进行实验与生产之前，若是能经过筛选，给出最优构型，不仅能降低实验成本，还能提高材料的致动性能。

有限元分析(FEA)是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等问题，ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，它在水工、土建、桥梁、机械、力学、物理学等，几乎所有的科学研究和工程技术领域得到广泛的应用。利用有限元软件(ABAQUS)可以模拟电化学致动现象，通过调节材料的结构，分析材料的宏观应变，再反向对材料的结构进行优化。整个流程的实现以及结果数据对于工业生产和科学研究都是很有参考价值的，如何将有限元分析方法与电化学致动器的研究也和起来，这成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于遗传算法的电化学致动器结构优化分析方法及系统，对材料结构的设计上采用有限元分析，以实现可控的材料变形行为。本发明基于本征应力模型，结合有限元方法开发了一个可用于模拟材料在电解液中发生致动现象的方法，通过程序实现自动化随机建模，达到有效计算不同结构下材料的宏观应变，在结合遗传算法的条件下，优化材料的结构以增加材料的宏观应变，有效的提高材料的致动性能。本发明方法能实现利用有限元方法自动随机建模，模拟各种不同构型的电化学致动器，通过施加表面应力再实现自动提取结构的宏观应变，最后结合遗传算法，反向地对材料的结构进行优化，由于达到了参数化建模及完全自动提取结果，所需的计算资源和计算时间更少，效率更高，成本更低，且可以利用流程化的思想及框架对实验进行指导，十分具有意义。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

一、一种模拟材料在电解液中发生致动现象的方法，包括以下步骤：

(1)基于本征应力模型，编写相应的自动化随机建模有限元程序代码，将相应的有限元程序代码与有限元软件结合调用，可以生成由随机序列构成的不同形状模型。此处的建模部分将巧妙地通过编码完成，可以实现数字化建模。

(2)进行有限元前处理，编写相应的自动化前处理程序代码，再通过撰写子程序umat来定义材料的本构关系，以扩充程序的功能。为了模拟材料在电解液中致动现象，还需要编写程序代码实现基于本征应力模型的材料表面应力的施加，部件之间的相互作用以及边界条件的设定。

(3)为了快速直观地分析结果，需要编写脚本程序对模型进行后处理。通过提取模型的节点信息，计算出最大的位移距离与应变。本发明模拟材料在电解液中发生致动现象的方法，可以计算不同构型的材料在表面应力诱导下所产生的宏观应变。

二、优化材料的致动效果