摘要：利用多边形有限单元的高精度求解优势,融合多分辨率拓扑优化方法,实现粗糙位移网格条件下的高分辨率构型设计,由此提出多材料结构动刚度问题的拓扑优化方法。将多边形单元(位移场求解单元)劈分为精细的小单元,构造设计变量与密度变量的重叠网格,形成多分辨率-多边形单元的优化建模策略;以平均动柔度最小化为目标和多材料的体积占比为约束,建立多材料结构的动力学拓扑优化模型,通过HHT-α方法求解结构动响应,采用伴随变量法推导目标函数和约束的灵敏度表达式,利用基于敏度分离技术的ZPR设计变量更新方案构建多区域体积约束问题的优化迭代格式;通过典型数值算例分析优化方法的可行性和动态载荷作用时间对优化结果的影响机制。

摘要：采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,可以获得具有优良力学性能的结构设计。该文面向多晶胞双尺度结构的时域动刚度最优设计问题,考虑不同晶胞间的可连接性,并行设计微结构的构型及其宏观布局。首先,引入双Helmholtz平滑-分块投影方案,识别不同多孔材料的宏观结构域。其次,通过均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,利用有序SIMP(soid isotropic material with penalization)方法优化不同微观结构的宏观布局。同时,为了保证不同晶胞间的可连接性,在不同多孔材料微结构的边界区域设置为相同拓扑描述的可设计连接域。然后,基于先离散-后微分的伴随敏度分析方法,实现了时空离散动力系统的一致性敏度计算。最后,以双尺度结构动柔度最小化为目标,以材料用量为约束条件,提出了时域动载荷作用下多微结构多尺度并行动力学拓扑优化方法。数值算例结果表明,提出的优化方法能够实现多晶胞结构的构型与宏观布局设计,充分提高了多孔结构的承载性能,同时保证不同晶胞之间的几何连续性,研究结果可为高承载多孔材料结构设计提供理论参考。

摘要：针对双向渐进结构优化(bi-directional evolutionary structural optimization, BESO)方法的单元过删除问题,提出了光滑双向渐进结构优化(smooth bi-directional evolutionary structural optimization, SBESO)方法,通过引入权重函数更新单元的质量与刚度矩阵,控制单元删除率以使低效单元逐渐从设计域中删除。以连续体结构固有频率最大化为目标,提出了一种基于SBESO的频率优化方法,对比分析了常函数、线性函数和正弦函数等不同权重函数对连续体结构优化的影响。将等效静载荷(equivalentstatic loads,ESL)方法与SBESO方法相融合,提出了动载荷作用下连续体结构的动刚度优化方法。数值算例表明,SBESO方法通过调节单元删除率和权重函数,控制低效单元在结构设计域中逐渐被删除,有效抑制了单元的过删除问题。采用线性和正弦权重函数,更有利于获得连续体结构的频率最优拓扑解。随单元删除率的减少,动刚度最优拓扑解的结构边界逐渐光滑,而且逼近于同一构形。由此,所提出的SBESO方法完善了BESO方法的优化准则,对于解决连续体结构动力学优化设计问题具有较为重要的理论意义。

摘要：拓扑优化方法为工程结构抗疲劳性能的改善提供了有效的设计策略,为了减少大规模局部疲劳约束引起的计算代价,往往采用P范数方法将其凝聚成全局约束,但是,满足这类弱约束的最优解与原问题的最优解存在间隙。为了精确满足局部疲劳约束和降低约束数量,采用增广拉格朗日方法将原问题处理为无约束问题,提出局部有限寿命疲劳约束条件下的结构拓扑优化方法。考虑变幅值的比例载荷作用,采用Palmgren-Miner线性损伤假设和Sines疲劳准则评价材料点的疲劳强度,以局部疲劳性能为约束条件,建立结构的轻量化设计模型,采用全局收敛移动渐近线算法求解局部疲劳约束下的结构拓扑优化问题。另外,将非结构化多边形网格技术融入到拓扑优化模型,实现复杂几何边界结构的抗疲劳轻量化设计。数值算例结果表明,与P范数方法的优化结果相比,局部疲劳约束条件下的优化结构具有更优的抗疲劳性能和更少的材料用量,因而考虑局部疲劳约束有益于材料的充分利用和结构抗疲劳性能的改善。

摘要：根据合作机器人(Cobot)的特点和超越离合器的特性,提出基于双单向超越离合器的助力型关节机构,利用拉格朗日功能平衡法建立单向超越离合器的数学模型,推导关节机构的动力学模型,对欠驱动力关节机构的动力学特性进行仿真分析,提出基于操作力的轨迹控制策略,并利用微分几何原理建立Cobot虚拟轨迹控制模型。基于dSPACE半物理仿真平台对欠驱动力Cobot的轨迹控制进行试验。研究结果表明,欠驱动力Cobot样机可以跟踪期望轨迹,其助力型关节机构可以克服摩擦阻力,使操作轻便省力,满足欠驱动力Cobot的设计要求。

摘要：针对基于传统雅克比矩阵建立Gough-Stewart平台(GSP)的可操作度没有明确的物理意义,且随表示单位不同而发生变化的问题,基于量纲一的雅克比矩阵建立了不随表示单位变化的新可操作度指标.将多态进化算法AEGA应用于GSP单目标函数的优化设计中,得到多组备选方案,最终为设计者提供多组优化参数.为了解决多目标同时优化的问题,把多目标进化算法NSGA-II应用于GSP的优化设计中,得到多组优化解,即Pareto优化解集.以用作运动模拟器的GSP为例进行优化设计分析,验证了方法的可行性,该方法比传统单目标函数优化设计更符合工程实际.

摘要：提出双尺度分级结构时域动刚度问题的并行拓扑优化方法,实现结构宏观拓扑构型和材料微观分布协同优化。利用三场密度方法实施宏观与微观结构的设计,基于能量的均匀化方法(energy-based homogenization method, EBHM)在微观结构上计算等效的宏观力学特性。针对比例阻尼系统,将HHT-α方法作为时间积分算法,求解多尺度结构的动力学有限元模型。融合先离散-后微分方法与伴随方法,在时间与空间离散的拓扑优化模型上实施敏度分析,避免了将时间作为连续变量而导致的灵敏度计算的一致性误差问题。以多尺度结构的动柔度最小化为目标,宏观与微观结构体积为约束,分别求解了正弦半波和余弦半波冲击载荷作用下多尺度结构的并行拓扑优化问题。最后,通过2种典型算例的数值结果验证了所提算法的有效性。

摘要：流体驱动下压差式管道机器人的运动属于复杂的流固耦合动力学问题,通过数值模拟方法分析机器人的动力响应,评估机器人在管道内的巡线能力具有重要的工程意义。该文基于耦合的欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian,CEL)方法,构建了机器人柔性多体系统的流固耦合动力学模型,以平均驱动压差、平均摩擦力和密封皮碗的米塞斯应力峰值为指标,评价机器人对管道环境的适应性。数值模拟结果表明,与3舱段管道机器人相比,5舱段管道机器人的平均速度和速度波动幅值分别降低5.3%和18.6%,但是平均驱动压差、摩擦力和峰值米塞斯应力分别增加了56.9%、95.7%和42.0%。由此,随着舱段数增加,密封皮碗的变形进一步增加,流体需提供更大的驱动压差克服摩擦力作用,但机器人系统的速度平稳性有所提高。3舱段和5舱段机器人在管道焊瘤高度20 mm、弯道角度90°、弯道曲率半径300 mm时的平均摩擦力、平均驱动压差以及密封皮碗的米塞斯应力峰值均达到最大值:3舱段机器人分别为0.98MPa、10.61kN和28.30 MPa,5舱段机器人分别为0.63 MPa、5.64 kN和24.16 MPa。因此,与3舱段机器人相比,在弯道与焊瘤约束的联合作用下,5舱段机器人需要消耗更多的流体压力能克服管道的约束阻力;更高的摩擦力将使密封皮碗磨损加速,削弱密封性能,而更高的米塞斯应力峰值也将增加密封皮碗的脆性断裂风险,导致5舱段机器人对于管道环境的适应性弱于3舱段机器人。研究结果可为管道机器人的巡线能力评价和设计优化提供参考。

摘要：为实现在线抑制铣削颤振,对颤振领域常用的传感器监控技术,尤其是三向切削力和振动加速度传感器的各向分量在颤振监控过程中的时域和频域敏感信号特征进行试验研究。针对监控的颤振敏感信号频域特性,研究快速傅里叶变换技术对信号有效信息的在线提取技术。对自激颤振的机理进行分析,建立颤振频率与主轴转速间的关系模型,为实现变主轴转速抑制自激颤振提供理论基础。对集成在线参数采集、反馈控制的全软件型模块化铣削控制器进行设计,将在线抑制颤振的相关变主轴转速算法嵌入开放式控制器中,并设计控制参数数据流在控制器模块间的实现流程。对连续变切削深度铝合金工件进行在线颤振抑制加工试验,试验验证开放式智能铣削控制器在线抑制颤振相关技术的正确性。

摘要：电液驱动Stewart平台是一个多输入多输出复杂并联机构,各通道间存在严重负载交联耦合。在确定平台各通道性能参数时,按照简单的阀控缸系统进行理论计算或系统辨识,结果和实际情况相差极大,这严重影响平台控制系统的设计和系统性能的提高。为了解决上述问题,设计一种基于Levenberg-Marquardt寻优算法的六维互不相关信号激励的Stewart平台闭环辨识算法,并应用于电液驱动Stewart平台试验样机。试验结果表明该辨识算法准确地辨识出平台通道性能参数,取得较满意的辨识结果。