Multi-objective topology optimization of piezoelectric stick-slip actuators for design and performance analysis

拓扑优化 顺应机制 执行机构 刚度 灵活性(工程) 流离失所(心理学) 有限元法 拓扑(电路) 缩小 最大化 控制理论(社会学) 计算机科学 规范化(社会学) 能量最小化 应变能 最优化问题 形状优化 压电 功能(生物学) 期限(时间) 能量(信号处理) 优化设计 结构工程 钥匙(锁) 工程类 实现(概率) 工程设计过程
作者
Shitong Yang,Wenlong Wang,Zhenguo Zhang,Haochuan Chen,Xinyu Zhang,Xiaohui Lu
出处
期刊:Smart Materials and Structures [IOP Publishing]
卷期号:34 (12): 125042-125042 被引量:1
标识
DOI:10.1088/1361-665x/ae2703
摘要

Abstract The conflicting requirements of stiffness and flexibility present a key design challenge for compliant mechanisms in piezoelectric stick-slip actuators. To overcome this, we introduce a multi-objective topology optimization scheme that employs a combined objective function, simultaneously minimizing strain energy and maximizing the displacement amplification ratio. The multi-objective function addresses two key aspects, the strain energy minimization term serves to improve the stiffness of the flexible hinges, whereas the displacement amplification ratio maximization term is designed to increase their deformation, thus achieving greater flexibility in the compliant mechanism. To address the disparity in the magnitude of the objective function, a normalization technique is utilized. The sensitivities are determined using the adjoint method, and the optimization challenge is tackled through the method of moving asymptotes. The stiffness and flexibility of the compliant mechanism are verified by finite element analysis, then the prototype is fabricated. The results from the experiments indicate a load capacity of 170 g and an actuator velocity of 16.57 mm s −1 . The findings validate the efficiency of the proposed multi-objective topology optimization approach.
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