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新型单轴柔性铰链拓扑结构设计与柔度分析
邱丽芳, 陈海翔, 吴友炜     
北京科技大学 机械工程学院, 北京 100083
摘要: 采用基于三维连续体拓扑优化理论的变密度法,以柔性铰链柔度比最大为目标,建立了单轴柔性铰链的拓扑优化模型。首先,借助OptiStruct软件设计出一种具有全新三维拓扑结构的单轴柔性铰链;其次,结合卡氏第二定理和能量法对该新型柔性铰链的转动性能进行理论分析,推导出该新型柔性铰链的柔度矩阵,通过16组实例的理论计算和有限元仿真分析,得到其相对误差在6.35%以内,验证了该新型柔性铰链柔度矩阵理论公式的正确性;最后,分析了具有相同切口轮廓的圆弧型柔性铰链和新型柔性铰链的柔度差异。结果表明:新型柔性铰链具有更大的柔度,其柔度性能提升300%。使用三维连续体拓扑优化方法,可为单轴柔性铰链的设计提供一个新思路。
关键词: 圆弧型柔性铰链     三维连续体拓扑优化     变密度法     柔度比     柔度分析    
Topological structure design and compliance analysis of a new single-axis flexure hinge
QIU Lifang, CHEN Haixiang, WU Youwei     
School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
Received: 2017-06-07; Accepted: 2017-10-16; Published online: 2017-11-28 17:09
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (51475037)
Corresponding author. QIU Lifang, E-mail:qlf@ustb.edu.cn
Abstract: Based on three-dimensional continuum topology optimization theory, aimed at maximizing compliance ratio, solid isotropic material with pena