پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 8 |
| تعداد شماره‌ها | 414 |
| تعداد مقالات | 5,478 |
| تعداد مشاهده مقاله | 6,010,365 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 5,299,919 |
رابطه‌سازی و بهینه‌سازی توپولوژی مفصل‌های خمشی با تغییرشکل‌های کوچک بر اساس معیار انرژی کرنشی | ||
| نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر | ||
| مقاله 3، دوره 56، شماره 3، 1403، صفحه 371-394 اصل مقاله (1.48 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2024.23134.7721 | ||
| نویسندگان | ||
| قائم معلونژاد آبسردی؛ بهروز حسنی* ؛ نیما یعقوبی | ||
| دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران | ||
| چکیده | ||
| مفصل‌های خمشی یکی از پرکاربردترین و مهم‌ترین المان‌های طراحی در طراحی سازوکارهای دقیق هستند. این مفصل‌ها به دلیل ساختار یک‌پارچه و ارتجاعی خود امکان ایجاد حرکت‌های دقیق را فراهم می‌کنند. در این پژوهش یک مدل کینتوالاستیک برای طراحی انواع مفصل‌های خمشی یک و چند درجه آزادی ارائه شده است. برای کاهش هزینه محاسباتی، دو رویکرد رابطه‌سازی مفید برای بیان تابع هدف و قیدهای مسئله ارائه شده‌اند که تنها بر اساس معیار انرژی کرنشی و جابه‌جایی‌های ازپیش‌تعیین‌شده تعریف شده‌اند. این روش دارای خاصیت خود‌الحاقی است که با کاهش حجم محاسبات برای تحلیل حساسیت، همگرایی بالایی را نیز به همراه دارد. برای یافتن پاسخ‌های مسئله بهینه‌سازی از تحلیل اجزای محدود، مدل‌سازی مواد با استفاده از روش جامد همسان‌گرد با جریمه و روش مبتنی بر گرادیان حرکت مجانب‌های متحرک استفاده شده است. مسئله‌ی بهینه‌سازی توپولوژی در نرم‌افزار متلب برنامه‌نویسی و مثال‌های متعددی برای طراحی مفصل‌های خمشی یک و چند درجه آزادی در فضای دوبعدی حل شده است. در نهایت نتایج به‌دست‌آمده از دو رویکرد بهینه‌سازی ارائه‌شده در این پژوهش با یک‌دیگر مقایسه شده‌اند. نتایج به‌دست‌آمده از این پژوهش انواع مختلف مفصل‌های خمشی در فضای دوبعدی را پوشش می‌دهد. در برخی از این مفصل‌ها، نسبت سفتی سازه به میزان قابل توجهی، تا 208 برابر، افزایش یافته است که این امر نشان‌دهنده کاربردی بودن و اثربخشی این روش در بهینه‌سازی توپولوژی مفصل‌های خمشی است. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| مفصل‌های خمشی؛ بهینه‌سازی توپولوژی؛ انرژی کرنشی؛ حرکت مجانب‌های متحرک؛ جابه‌جایی‌های ازپیش‌تعیین‌شده | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Formulation and Topology optimization of flexure joints with small deformations based on strain energy criteria | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Qaem Maloonezhadabsardi؛ Behrooz Hassani؛ Nima Yaghoobi | ||
| Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Flexure joints are one of the most widely used and crucial elements in the design of precision mechanisms. Owing to their monolithic and elastic structure, these joints facilitate highly precise movements. In this study, we present a kinetoelastic model for designing various types of flexure joints with single and multiple degrees of freedom. To reduce computational costs, two beneficial approaches for defining the objective function and constraints are presented, based solely on the strain energy criterion and predetermined displacements. The resulting self-adjoint optimization problem exhibits computational efficiency and improved convergence. The topology optimization problem utilizes the Finite Element Method and the Solid Isotropic Material with a Penalization model, employing the Method of Moving Asymptotes to solve and identify the optimal topology. A comprehensive mathematical framework, including the relevant two-dimensional boundary conditions and sensitivity analysis, is meticulously developed and extensively examined. For this purpose, MATLAB code is developed for designing two-dimensional flexure joints with single and multiple degrees of freedom. Finally, the results obtained from the comparison of two optimization approaches presented in this study are discussed. In these joints, the stiffness ratio of the structure has increased significantly, up to 208 times, indicating the practicality and effectiveness of this method in the topology optimization of flexure joints. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Flexure joints, topology optimization, strain energy, the Method of Moving Asymptotes, predetermined displacements | ||
| مراجع | ||
|
[1] N. Yaghoobi, B. Hassani, Topological optimization of vibrating continuum structures for optimal natural eigenfrequency, International Journal of Optimization in Civil Engineering, 7(1) (2017) 1-12. [2] V. Shobeiri, B. Ahmadi-Nedushan, Topology optimization of pretensioned concrete beams considering material nonlinearity, International Journal of Optimization in Civil Engineering, 9(4) (2019) 629-650. [3] T. Wu, Z. Liu, B. Wang, Z. Ma, D. Ma, X. Deng, A versatile topology-optimized compliant actuator for soft robotic gripper and walking robot, Soft Robotics, 11(1) (2024) 157-170. [4] L.L. Howell, Compliant mechanisms, in: 21st century kinematics: The 2012 NSF Workshop, Springer, (2013) 189-216. [5] M.Y. Wang, A kinetoelastic formulation of compliant mechanism optimization, Journal of Mechanisms and Robotics, 1(2) (2009) 1-10. [6] J.A. Gallego, J. Herder, Synthesis methods in compliant mechanisms: An overview, in: International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, 7(33) (2009) 193-214. [7] M. Liu, J. Zhan, B. Zhu, X. Zhang, Topology optimization of flexure hinges with distributed stress for flexure-based mechanisms, in: 2018 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales, 4(8) (2018) 1-5. [8] B. Hassani, E. Hinton, Homogenization and structural topology optimization: theory, practice and software, Springer Science & Business Media, (2012) 1-38. [9] M.P. Bendsøe, O. Sigmund, M.P. Bendsøe, O. Sigmund, Topology optimization by distribution of isotropic material, Topology Optimization: Theory, Methods, and Applications, (2004) 1-69. [10] P. Weisbord, How to design flexure hinges, Machine Design, 10(3) (1965) 151-156. [11] S.T. Smith, V.G. Badami, J.S. Dale, Y. Xu, Elliptical flexure hinges, Review of Scientific Instruments, 68(3) (1997) 1474-1483. [12] R.H. Burns, F. Crossley, Kinetostatic synthesis of flexible link mechanisms, in: Mechanical Engineering, 190(4) (1968) 67-86. [13] S.R. Deepak, M. Dinesh, D.K. Sahu, G. Ananthasuresh, A comparative study of the formulations and benchmark problems for the topology optimization of compliant mechanisms, 1(1) (2009) 1-10. [14] B. Zhu, X. Zhang, S. Fatikow, Design of single-axis flexure hinges using continuum topology optimization method, Science China Technological Sciences, 57(3) (2014) 560-567. [15] J. Pinskier, B. Shirinzadeh, M. Ghafarian, T.K. Das, A. Al-Jodah, R. Nowell, Topology optimization of stiffness constrained flexure-hinges for precision and range maximization, Mechanism and Machine Theory, 150 (2020) 103874. [16] M. Liu, X. Zhang, S. Fatikow, Topology optimization of large-displacement flexure hinges, in: International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, American Society of Mechanical Engineers, 5(39) (2015) 11-20. [17] N.T. Tran, M.P. Dang, T.-P. Dao, A new optimal design synthesis method for flexure-based mechanism: recent advance of metaheuristic-based artificial intelligence for precision micropositioning system, Microsystem Technologies, 30(1) (2024) 1-31. [18] M. Liu, X. Zhang, S. Fatikow, Design of flexure hinges based on stress-constrained topology optimization, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 231(24) (2017) 4635-4645. [19] M. Liu, J. Zhan, X. Zhang, Topology optimization of distributed flexure hinges with desired performance, Engineering Optimization, 52(3) (2020) 405-425. [20] M. Liu, X. Zhang, S. Fatikow, Design and analysis of a high-accuracy flexure hinge, Review of Scientific Instruments, 87(5) (2016) 1-15. [21] G. Li, J. Yu, J. Pan, X. Pei, Design of a Novel Flexible Spherical Hinge and Its Application in Continuum Robot, Journal of Mechanisms and Robotics, 16(6) (2024) 16-31. [22] S. Koppen, M. Langelaar, F. van Keulen, A simple and versatile topology optimization formulation for flexure synthesis, Mechanism and Machine Theory, 172(1) (2022) 1-15. [23] R.J. Guyan, Reduction of stiffness and mass matrices, AIAA journal, 3(2) (1965) 380-380. [24] B.M. Irons, K.J. Draper, Inadequacy of nodal connections in a stiffness solution for plate bending, AIAA journal, 3(5) (1965) 961-961. [25] M.Y. Wang, Mechanical and geometric advantages in compliant mechanism optimization, Frontiers of Mechanical Engineering in China, 4(2) (2009) 229-241. [26] M.Y. Wang, S. Chen, Compliant mechanism optimization: analysis and design with intrinsic characteristic stiffness, Mechanics Based Design of Structures and Machines, 37(2) (2009) 183-200. [27] L. Li, X. Zhu, Design of compliant revolute joints based on mechanism stiffness matrix through topology optimization using a parameterization level set method, Structural and Multidisciplinary Optimization, 60(7) (2019) 1475-1489. [28] A. Hasse, L.F. Campanile, Design of compliant mechanisms with selective compliance, Smart Materials and Structures, 18(11) (2009) 115-134. [29] A. Hasse, M. Franz, K. Mauser, Synthesis of compliant mechanisms with defined kinematics, Microactuators and Micromechanisms,25(4) (2017) 227-238. [30] S. Kirmse, L.F. Campanile, A. Hasse, Synthesis of compliant mechanisms with selective compliance–An advanced procedure, Mechanism and Machine Theory, 157(6) (2021) 164-184. [31] S. Seltmann, L.F. Campanile, A. Hasse, Topology-optimization based design of multi-degree-of-freedom compliant mechanisms (mechanisms with multiple pseudo-mobility), Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 34(5) (2023) 609-628. [32] J. Pinskier, B. Shirinzadeh, Topology optimization of leaf flexures to maximize in-plane to out-of-plane compliance ratio, Precision Engineering, 55(6) (2019) 397-407. [33] M.P. Bendsøe, Optimal shape design as a material distribution problem, Structural optimization, 1(4) (1989) 193-202. [34] A. Klarbring, N. Strömberg, Topology optimization of hyperelastic bodies including non-zero prescribed displacements, Structural and Multidisciplinary Optimization, 47(5) (2013) 37-48. [35] G. Rozvany, O. Sigmund, T. Lewiński, D. Gerdes, T. Birker, Exact optimal structural layouts for non-self-adjoint problems, Structural optimization, 5(3) (1993) 204-206. [36] T.E. Bruns, D.A. Tortorelli, Topology optimization of non-linear elastic structures and compliant mechanisms, Computer methods in applied mechanics and engineering, 190(27) (2001) 3443-3459. [37] K. Svanberg, The method of moving asymptotes—a new method for structural optimization, International journal for numerical methods in engineering, 24(2) (1987) 359-373. [38] X. Zhang, B. Zhu, X. Zhang, B. Zhu, Topology optimization of flexure hinges, Topology Optimization of Compliant Mechanisms, 3(2) (2018) 25-80. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 267 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 299 |
||