第43卷第1期 Vol. 43No.1
计算机应用
压技术饭
FORGING & STAMPING TECHNOLOGY
3-PRR全柔顺并联机构的水平集多目标拓扑
优化设计及灵敏度分析王鑫辉，常尧，杜苏容，焦凡苇
（中北大学朔州校区能源与机械工程管理部，山西朔州036000）
2018年1月 Jan.2018
摘要：采用同构映射和微分运动学原理并基于显式运动剧的传统3-PRR型并联机构，推导其微运动Jacobian矩阵。基于水平集方法，定义柔度最小化为优化目标函数，以微运动Jacobian矩阵为输人、输出膜射的运动约束，以优化前后的材料体积分数为优化约束，构建3-PRR全柔顺并联机构的优化模型，运用OptiStruct优化求解器，求解出3-PRR全柔顺并联机构的最佳构型和设计灵数度。研究表明：所设计的3-PRR全柔顺并联机构与传统3-PRR型并联机构具有一致的微运动特性，优化结果的柔度值达到最小化的同时，能有效地消除应力集中现象。该理论分析和伤真优化对平面乃至空间弹性微变形机构，基至是智能螺动机构的最佳构型设计具有切实可行的意义。
关键词：3-PRR全柔顺并联机构；运动同构特性；水平集拓扑优化；灵敏度分析；微运动特性 DOI: 10. 13330/j. issn. 1000-3940. 2018. 01. 031
中图分类号：TP391
文献标识码：A
文章编号：1000-3940（2018）01-0181-08
Multi-objectivetopologyoptimizationdesign and sensitivity analysis on3-PRR
fullycomplianceparallelmechanismbasedonlevel-setmethod
Wang Xinhui, Chang Zongyao, Du Surui, Jiao Fanwei
( Department of Energy and Mechanical Engineering, Shuozhou Campus of the North University of China, Shuozhou 036000, China) Abstract : The differential Jacobian matrix was derived by the theory of isomorphic mapping and differential kinematic principle based on traditional 3 PRR parallel mechanism of explicit joints. And aceording to level-set method, the minimum compliance was defined as op-timization objective function, the differential Jacobian matrix was defined as kinetic constraint of input-output mapping relation, and the
volume fraction of material before
e and after
fully compliance parallel mechanis mechanism were solved by optimizatio
3 PRR fully compliance panallel mechani stress concentration is eliminated when the
the
s optimal constraint to establish the optimixation model of 3 PRR
s defined as
optimal configuration and design sensitivity of 3 PRR fully compliance parallel
s that the micro movement characteristics of the designed
with that of traditional 3 PRR parallel mechanism, and the phenomenon of
The theory analysis and simulation op-
timization provide practical meaning for the optimal configuration design of planar
and spatial micro elastic deformation mechanism and
even intelligent erawling mechanism.
Key words : 3 PRR fully compliance parallel mechanism; kinetie isomorphism characteristics ; level-set topology optimization; sensitivi-ty analysis : micro movement characteristics
微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称，是科技发展中的一个新兴领域，它将制造加工与测量精度提高到微纳米级别。随若微型机械逐步走向实用化，微纳制造技术在工农业、生物医疗技术航空航天及国防技术等尖端领域的应用越来越被重视("]。如何设计出具有更高定位精度、良好的结构
收稿日期：20170802；修订日期：20171013
作者简介：王鑫辉（1996－），男，本科万方擎据al：1224702830eq4com
性能且又能节省材料成本的最佳构型是研究者所关心的。并联机构因各支链的耦合性而具有动平台移动的高精度性，航空领域中为了生产横向曲率较小的飞机机身蒙皮件，常用以并联机构为载体的横向拉形机，如图1所示。
柔顺并联机构[2]是微纳精密定位系统中的重要支撑平台，其设计主要呈“积木式”，即依据“伪刚体模型[3]”并结合经验设计出显式的柔性铰链来代替刚性运动副，如李茜等[4]对基于2R伪刚体模型的柔顺机构进行了动力学特性分析。然而，这种