Stress-constrained topology optimization for compliant mechanism design

Leon, Daniel M. De; Alexandersen, Joe; Fonseca, Jun Sergio Ono; Sigmund, Ole

doi:10.1007/s00158-015-1279-z

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“…Wang et al [128] used the level set method to track the motion of the actuator and the independent point-wise density interpolation (iPDI) method to optimize the structure, so as to realize the optimization of both actuating position and structure. De Leon et al [129] added the stress constraint in the optimization to avoid the one-node-connected hinge problem. In addition, Yoo et al [130] used modified ant colony optimization (MACO) to improve the computational efficiency of SIMP.…”

Section: Topology Optimizationmentioning

confidence: 99%

Survey on Recent Designs of Compliant Micro-/Nano-Positioning Stages

2018

Actuators

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Micromanipulation is a hot topic due to its enabling role in various research fields. In order to perform a high precision operation at a small scale, compliant mechanisms have been proposed and applied for decades. In microscale manipulation, micro-/nano-positioning is the most fundamental operation because a precision positioning is the premise of subsequent operations. This paper is concentrated on reviewing the state-of-the-art research on complaint micro-/nano-positioning stage design in recent years. It involves the major processes and components for designing a compliant positioning stage, e.g., actuator selection, stroke amplifier design, connecting scheme of the multi-DOF stage and structure optimization. The review provides a reference to design a compliant micro-/nano-positioning stage for pertinent applications.

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Section: Topology Optimizationmentioning

confidence: 99%

Survey on Recent Designs of Compliant Micro-/Nano-Positioning Stages

2018

Actuators

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“…There is no need to pre-determine the number of links or the location of the flexural joints in the device [14]. In the past decades, many different techniques, such as the homogenization method [15], solid isotropic material with penalization (SIMP) method [16][17][18], level set method [19,20], evolutionary structural optimization (ESO) method [21,22] and others [23][24][25], have been developed. To a great extent, structure synthesis methods of spatial compliant mechanisms are faced with many complicated factors, especially the following two main issues.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Topology optimization of a 6-DOF spatial compliant mechanism based on Stewart propotype platform

Zhu

Zhan

2019

Acta Mech. Sin.

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To improve the global stiffness and conveniently build a model of a compliant mechanism with spatial multiple degrees of freedom (DOF), the topology optimization method, combined with the isomorphic mapping matrix, is proposed in this paper for structure synthesis of a 6-DOF spatial compliant mechanism. By using the differential approximation method, the Jacobian matrix of the Stewart prototype platform is calculated as the isomorphic mapping matrix, and its eigenvalues and eigenvectors are considered. Combining the isomorphic mapping matrix with the solid isotropic material with the penalization topology optimization method, the topological model of the 6-DOF spatial compliant mechanism is constructed, and a topological structure of the 6-DOF spatial compliant mechanism is derived which has the same differential kinematic characteristics as the Gough-Stewart prototype platform. Piezoelectric actuators are mounted inside the topological structure during the three-dimensional printing manufacturing process, and its driver directions are in accordance with the driver configuration directions of the Gough-Stewart prototype platform. The effectiveness of the proposed method for topological structure synthesis of the 6-DOF spatial compliant mechanism is demonstrated through several numerical examples and experimental studies.

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“…O filtro de densidade tradicional, de Bruns e Tortorelli (2001), foi introduzido na literatura como uma alternativa matematicamente consistente ao filtro de gradiente proposto por Sigmund (1994). Apesar de ter sido originalmente utilizado na solução de problemas de flexibilidade e de mecanismos flexíveis, o filtro de densidade tem sido utilizado na solução de diversos problemas, na literatura, inclusive na solução de problemas baseados em tensão (BRUGGI; DUYSINX, 2012;TORSTENFELT;KLARBRING, 2013;KIYONO et al, 2016;LE et al, 2010;LEON et al, 2015;SVÄRD, 2015;QIAN, 2018). Além disso, o filtro de densidade é utilizado como base para métodos mais sofisticados, como os métodos de projeção descritos na subseção 2.2.2.…”

Section: Filtro De Densidadeunclassified

“…O problema contínuo de otimização topológica com restrição de tensão foi inicialmente abordado em Duysinx e Bendsøe (1998), onde a abordagem baseada em densidade é empregada para a obtenção de estruturas de mínima massa que respeitam um critério de falha em tensão estabelecido a priori. Desde então, o problema baseado em tensão ganhou bastante popularidade na literatura (AMSTUTZ; NOVOTNY, 2010; AMSTUTZ; NOVOTNY; NETO, 2012;BRUGGI, 2008;BRUGGI;DUYSINX, 2012;SIG-MUND, 1998;FANCELLO, 2014;FANCELLO, 2019;FANCELLO, 2006;FANCELLO;PEREIRA, 2003;TORSTENFELT;KLARBRING, 2013;KIYONO;REDDY, 2016;KIYONO et al, 2016;LE et al, 2010;LIAN et al, 2017;LEON et al, 2015;LONG;NOVOTNY, 2016;LUO;KANG, 2013;PARÍS et al, 2009;FANCELLO;BARCELLOS, 2004;PICELLI et al, 2018;NOVOTNY, 2017;SVÄRD, 2015;TROYA;TORTORELLI, 2018;QIAN, 2018), devido principalmente a necessidade de se considerar requisitos de projeto mais realísticos na otimização estrutural.…”

Section: Otimização Topológica Com Restrição De Tensãounclassified

“…1. Utilização de técnicas de agregação, que consistem em funções que agregam todas as restrições locais em uma única restrição global, ou, alternativamente, em um conjunto de restrições regionais de tensão (DUYSINX;TORSTENFELT;KLARBRING, 2013;KIYONO;REDDY, 2016;LE et al, 2010;LEON et al, 2015;LONG;LUO;KANG, 2013;PARÍS et al, 2009;SVÄRD, 2015;TROYA;TORTORELLI, 2018;QIAN, 2018). O problema resultante, com uma única restrição, ou com um número reduzido de restrições, é solucionado com método de Lidar com o problema de forma direta, considerando todas as restrições locais de tensão, utilizando-se o método do Lagrangiano aumentado (FANCELLO, 2006; FAN-CELLO; PEREIRA, 2003; PEREIRA; CARDOSO, 2018; PEREIRA; FANCELLO; BARCELLOS, 2004).…”

unclassified

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Otimização topológica considerando incertezas com critério de falha em tensão

Silva¹

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AGRADECIMENTOSInicialmente, gostaria de agradecer ao professor André Teófilo Beck pela orientação, pelas conversas, pelas trocas de ideias, por depositar confiança no meu trabalho, pelos ensinamentos que complementaram minha formação, e pelo suporte fornecido em diversas situações difíceis durante os anos de Doutorado.Gostaria de agradecer ao professor Eduardo Lenz Cardoso por continuar acompanhando o desenvolvimento do meu trabalho durante estes anos de Doutorado, pelas trocas de ideias, e pela orientação fornecida em várias situações.Gostaria de agradecer aos professores Humberto Breves Coda e Rodrigo Ribeiro Paccola pelos ensinamentos que complementaram minha formação. Agradeço ao professor Coda, também, pelas conversas, e pela orientação fornecida em diversas situações.Agradeço ao professor Ole Sigmund por me receber na DTU (Technical University of Denmark), pela orientação, e por acreditar no meu trabalho.Agradeço aos amigos que fiz durante estes anos de Doutorado pelos momentos de descontração.Agradeço à minha família, que sempre incentivou os meus estudos.Agradeço à minha esposa, Tássia Luize Soares, pelo apoio e incentivo prestados, em todos os momentos, e por me ajudar a seguir em frente e a não desistir, independentemente das dificuldades e desafios. Agradeço à Tássia por todos os momentos que passamos juntos. Finalmente, gostaria de agradecer a FAPESP, processo número 2015/25199-0, pelo apoio financeiro, que foi fundamental para o desenvolvimento deste trabalho. RESUMOSILVA, G. A. Otimização topológica considerando incertezas com critério de falha em tensão. 2019. 125p. Tese (Doutorado) -Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2019.Hoje em dia, é amplamente reconhecido que o projeto de estruturas otimizadas deve ser robusto em relação a incertezas nas forças, geometria e propriedades do material. Entretanto, existem diversas alternativas para considerar tais incertezas em problemas de otimização estrutural. Esta tese apresenta quatro formulações para lidar com incertezas no problema de otimização topológica com restrição de tensão. As três primeiras são desenvolvidas para lidar com incertezas na intensidade e direção das forças aplicadas: 1) formulação robusta probabilística, onde substituem-se as restrições de tensão originais por uma soma ponderada entre os seus valores esperados e desvios padrão, obtidos por meio do método de perturbação de primeira ordem; 2) formulação baseada em confiabilidade, onde consideram-se restrições de tensão probabilísticas; o problema é formulado por meio de uma abordagem acoplada de primeira ordem; 3) formulação robusta não probabilística, onde considera-se o pior cenário possível para as restrições de tensão; o problema é formulado com uma abordagem acoplada de otimização com anti-otimização. A quarta formulação não segue o padrão das três primeiras; diferente das demais, esta é desenvolvida para lidar com incerteza uniforme de manufatura: 4) formulação robusta de três campos, onde três topologias são consideradas de forma simultânea ...

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Stress-constrained topology optimization for compliant mechanism design

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