[发明专利]快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法

摘要

本发明涉及一种快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法，包括步骤：针对快速伺服刀架用柔性机构在轴向刚度、一阶特征频率、输入端与输出端的侧向刚度要求，确立柔性机构设计域的外形轮廓尺寸与定义材料参数；根据加工特点建立加工过程的动态力学的物理边界条件与几何边界约束条件；建立基于一阶特征频率、基于时间积分的输出位移与基于时间积分的结构柔性的多目标优化函数；建立轻质结构拓扑优化的体积约束优化条件；利用伴随变量法推导多目标优化函数的灵敏度分析公式；通过拓扑优化方法确立柔性机构的外形与拓扑；本发明适用于压电陶瓷类智能材料驱动、对工件进行精密加工的快速伺服刀架系统。

主权项

一种快速伺服刀架用柔性机构多目标拓扑优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确立快速伺服刀架用柔性机构设计的设计域外形轮廓尺寸参数，定义材料结构参数，外形轮廓尺寸参数包含高度与宽度两个参数，材料结构参数包含弹性模量、泊松比、结构阻尼与材料密度；步骤2：建立加工过程的动态力学的物理边界条件与几何边界约束条件，根据加工过程的受力位置，建立动态力学的物理边界条件，动态力学的物理边界条件的基本方程为柔性机构系统的动力学方程；根据加工过程的固定边界位置建立受力系统的几何边界约束条件；其中，加工过程的受力位置包括智能材料驱动的驱动位置与受切削力的位移输出位置；步骤3：考虑加工过程的动态特性，优化问题包含四个多目标优化函数：多目标优化问题的第一个优化目标函数为结构的一阶特征频率，第二个优化目标函数为输出端位移的时间积分函数，第三个优化目标函数为结构柔性的时间积分函数；其中，第三个优化目标函数，根据系统的输入端与输出端受力情况，第三个优化目标函数又分为智能材料类驱动端的y方向的柔性的时间积分的优化目标函数与位移输出端的y方向的柔性的时间积分的优化目标函数；步骤4：根据加工过程的轻质要求，以结构体积作为最优化问题的第一类约束条件；同时根据系统所受的力为动态切削力，以结构系统的动力学方程作为多目标拓扑最优化问题的第二类约束条件；步骤5：利用伴随变量法推导多目标优化函数的灵敏度分析公式；通过拓扑优化迭代改变柔性机构的外形；判断优化结果是否满足收敛条件，如不满足收敛条件，继续对机构进行拓扑优化；当优化结构满足迭代的终止条件时，停止优化迭代，输出最终的拓扑优化结果。