[发明专利]一种柔性铰链的拓扑优化设计方法

摘要

本发明公开了一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，包括以下步骤：步骤1：建立柔性铰链拓扑优化设计模型，将典型切口柔性铰链轮廓设为设计域的形状，定义刚性区域(非设计域)；步骤2：建立柔性铰链拓扑优化有限元模型；步骤3：基于有限元模型建立柔性铰链拓扑优化问题数学模型；步骤4：计算柔性铰链拓扑优化问题的灵敏度；步骤5：采用优化算法求解柔性铰链拓扑优化问题，更新设计变量，得到最终拓扑结果图；步骤6：根据拓扑优化得到的最终拓扑结果图，提取其轮廓，通过适当的修改得到新型柔性铰链。本发明采用拓扑优化方法在概念层面上设计柔性铰链，可以设计出结构更复杂、性能更优越的新型柔性铰链，具有更大柔度，更高精度以及更小的最大应力。

主权项

1.一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立柔性铰链拓扑优化设计模型，将切口柔性铰链轮廓设为设计域的形状，定义刚性区域；步骤2：建立柔性铰链拓扑优化有限元模型；步骤3：基于有限元模型建立柔性铰链拓扑优化问题数学模型；步骤4：计算柔性铰链拓扑优化问题的灵敏度；步骤5：采用优化算法求解柔性铰链拓扑优化问题，更新设计变量，得到最终拓扑结果图；步骤6：根据拓扑优化得到的最终拓扑结果图，提取其轮廓，通过修改得到柔性铰链；步骤3中所述的基于有限元模型建立柔性铰链拓扑优化问题数学模型的步骤具体包括：最大化设计域右端中点位移Uy,Fy且最小化设计域右端中点位移Ux,Fx作为目标函数，体积比为约束条件，其优化数学模型如下：subjectto:Kux＝FxKuy＝Fyfv(x)＝vTx≤V*0x为在非设计域右端中点X方向施加的载荷，F_y为在非设计域右端中点Y方向施加的载荷，为在载荷F_x作用下产生的设计域右端中点X方向的位移，为在载荷F_y作用设计域右端中点Y方向的位移，和是拓扑优化迭代中的初始值，v^T为包含各个单元体积的N维矢量的转置，V^*为体积比，K为全局刚度矩阵，u_x是由载荷F_x产生的位移场，u_y是由载荷F_y产生的位移场，N为有限单元个数，x_i为各有限单元的相对密度，x_min为最小相对密度，设为0.001。