<title>Comparison of amplified piezoelectric actuators based on topological optimization</title>

拓扑(电路) 离散化 执行机构 刚度 约束(计算机辅助设计) 计算机科学 最优化问题 压电 拓扑优化 数学分析 算法 材料科学 机械工程 声学 有限元法 数学 物理 结构工程 电气工程 工程类 人工智能 复合材料
作者
Philip W. Loveday
出处
期刊:Proceedings of SPIE [SPIE]
卷期号:4701: 426-434 被引量:3
标识
DOI:10.1117/12.474679
摘要

Various solid-state mechanisms for the amplification of the small stroke, produced by piezoelectric materials, have been presented in the literature. A designer tasked with designing a device such as a micro-positioner must choose between these mechanisms. In this paper, the use of topological optimization to produce characteristic functions for amplification mechanisms, forming a basis for comparison of different designs, is investigated. The optimization problem was formulated as a variable thickness sheet problem where the stiffness was maximized subject to a constraint on the free stoke. Apart from specifying the design domain, no volume constraints were imposed. The design domain, comprising a piezoelectric and a metallic region, was discretized with eight-noded, plane-strain finite elements. This formulation was found to produce designs with negligible intermediate thickness. These designs are non-unique and repeatedly solving the problem from different starting material distributions results in slightly different 'optimal' stiffness values. The resulting maximum stiffness can be plotted as a function of free stroke producing a curve that is characteristic of the amplification mechanism. Irregularities in this curve would indicate that a local maximum with poor performance has been found. The method is demonstrated by computing the characteristic curve for two amplifier mechanisms.
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