论文题目：折纸柔性机械爪高效非线性拓扑优化设计与实验研究
摘要：柔性机械爪拥有可以拟人操纵易碎物体、空间连续运动中防止硬冲击或卡死、遥操作中人机互动动作更精确和操作安全性高等优点,这些优点的关键在于其柔性和有效构型。而折纸结构兼顾刚性和柔性,其刚性及轻便性可使其具有较优最大夹持比,其柔性（大的体积扩展比）可使其拥有较好的夹持适应性;折纸结构还存在概念简单、制备简易（少组装甚至免组装）和成本低等优点,将其应用于柔性机械爪具有较多优势。因此,本文将折纸柔性机械爪作为研究对象。此外,拓扑优化具有改变结构材料的布局和拓扑连接形式的能力,可较大限度得到性能优越的结构,为柔性机械爪设计提供了创新手段。由于需要反复执行操作任务,柔性机械爪一般多用超弹性材料,且其工作时往往需要发生几何大变形。为了得到更合理的优化构型,其拓扑优化设计过程中应考虑非线性。但为了降低计算复杂程度、减少计算成本和避免收敛困难,目前柔性机械爪拓扑优化设计相关研究大部分基于线性拓扑优化。基于此,本文提出一种计算高效和求解收敛性良好的多分辨率非线性拓扑优化方法,将其应用于折纸柔性机械爪构型设计,以高效合理地设计一种具有较优综合抓取性能的柔性机械爪,并通过实验研究进行验证。主要研究工作如下:（1）提出了一种计算高效和求解收敛性良好的多分辨率非线性拓扑优化方法。该方法同时考虑了材料非线性和几何非线性,利用Neo-Hookean超弹性模型表征材料非线性,借助附加超弹材料技术解决几何非线性求解不收敛难题。为了简化非线性有限元求解和灵敏度求解,使用商业软件ANSYS进行有限元计算。针对非线性拓扑优化求解过程中反复迭代计算的大难题,提出了一种高效和保精度的多分辨率求解策略,利用粗糙网格和精细网格分别进行有限元计算和描述材料分布,粗糙网格在减少有限单元数量的同时,避免较小尺寸有限单元出现。一方面可提高计算效率,另一方面可进一步增强附加超弹材料技术解决非线性拓扑优化求解迭代不收敛的能力,进而能够高效实现三维结构非线性拓扑优化问题。（2）发展了一种基于多分辨率非线性拓扑优化的折纸柔性机械爪优化设计方法。该方法以多材料折纸柔性机械爪二维形式作为初始构型,以体积为约束、输出位移最大为目标,对产生变形作用的折痕材料进行多分辨率非线性拓扑优化设计。其中,多材料折纸柔性机械爪以低刚度材料作为折痕、高刚度材料作为面板,可实现折叠和展开。最终基于所得优化构型,在柔性薄板上对折痕材料进行切割,即可简单制造单材料折纸柔性机械爪。该方法不仅能够发挥折纸结构应用于柔性机械爪的优势,且能够高效合理地设计得到变形性能较优的折痕材料分布。此外,可实现折纸柔性机械爪的简单制造,有利于折纸柔性机械爪的普遍应用。（3）设计了一种具有较优综合抓取性能的折纸柔性机械爪。利用所发展的折纸柔性机械爪优化设计方法得到一种折纸柔性机械爪,并对其进行实验研究,以探究其综合抓取性能。首先,对优化目标进行对比实验研究,通过对比相同载荷大小作用下优化前后多材料折纸柔性机械爪的夹取范围,验证了优化的有效性。一方面,相同载荷作用下,若机械爪未达抓取范围上限,则优化后机械爪的抓取范围更广;另一方面,若要使机械爪抓取末端点达到相同抓取位置,优化后机械爪的抓取速度更快。其次,对折纸柔性机械爪进行最大夹持比实验研究,说明其具有较优的最大夹持比,可夹取将近自身30倍重量的物体。最后,将折纸柔性机械爪安装于机械臂末端,通过抓取实验表明其对不同形状、尺寸、重量、刚度和取向物体均具有较好的夹持适应性。
关键词：非线性拓扑优化;多分辨率设计策略;折纸柔性机械爪;折痕材料拓扑优化设计;抓取实验
学科专业：机械电子工程
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究目的和意义
1.2 柔性机械爪拓扑优化设计研究概况
1.2.1 柔性机械爪研究现状
1.2.2 拓扑优化的发展
1.2.3 柔性机械爪拓扑优化设计研究现状
1.3 非线性拓扑优化方法研究概况
1.3.1 材料非线性拓扑优化方法研究现状
1.3.2 几何非线性拓扑优化方法研究现状
1.4 拓扑优化高效求解方法研究概况
1.5 本文主要研究工作
第二章 非线性拓扑优化方法
2.1 引言
2.2 SIMP拓扑优化方法
2.3 非线性拓扑优化方法
2.3.1 拓扑优化数学模型
2.3.2 有限元计算和附加超弹材料技术
2.3.3 灵敏度分析
2.4 数值算例
2.4.1 二维悬臂梁算例
2.4.2 二维双边固定梁算例
2.5 本章小结
第三章 基于多分辨率设计策略的高效和保精度非线性拓扑优化方法
3.1 引言
3.2 多分辨率设计策略
3.3 基于多分辨率设计策略的高效和保精度非线性拓扑优化方法
3.3.1 拓扑优化数学模型
3.3.2 灵敏度分析
3.4 数值算例
3.4.1 求解收敛特性分析
3.4.2 二维数值算例
3.4.3 三维数值算例
3.4.4 算例小结
3.5 柔性机构问题多分辨率非线性拓扑优化方法
3.5.1 拓扑优化数学模型
3.5.2 灵敏度分析
3.5.3 数值算例
3.6 本章小结
第四章 折纸柔性机械爪多分辨率非线性拓扑优化设计与实验研究
4.1 引言
4.2 基于多分辨率非线性拓扑优化的折纸柔性机械爪优化设计方法
4.3 折纸柔性机械爪多分辨率非线性拓扑优化设计
4.3.1 折纸柔性机械爪初始构型设计
4.3.2 折纸柔性机械爪多分辨率非线性拓扑优化设计
4.4 折纸柔性机械爪实验研究
4.4.1 折纸柔性机械爪优化目标对比研究
4.4.2 折纸柔性机械爪最大夹持比研究
4.4.3 折纸柔性机械爪夹持适应性研究
4.5 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 全文总结
5.2 研究展望
参考文献
致谢