如何实现电热微致动器的拓扑优化——以夹持机构为例

1.算例1

第一种电热微致动器拓扑伏化的设计区域如图7.5（a）所示，长度为500 μm，宽度为200μm，采用八节点等参单元离散设计区域，其中，单元数为1 000，节点数为3141。它的目标是在图7.5（a）中的左侧施加0.3 V的直流电压后，右侧的输出端要产生向上的位移。所用材料是电铸镍，其材料属性如下：弹性模量为E=200 GPa，泊松比ν=0.31，热膨胀系数为α=15×10-6K-1，热传导系数为k=90.7 W/（K·m），电导率为ε=6.4×106（Ω·m）-1，体积约束为30%。它采用节点密度法得到的拓扑优化结果如图7.5（b）所示。

图7.5　第一种电热微致动器拓扑优化的设计区域和结果

（a）设计区域；（b）拓扑优化结果

2.算例2

第二种电热微致动器拓扑优化的设计区域如图7.6（a）所示，其设计区域的尺寸和所用的材料属性和算例1相同。它的目标是在图7.6（a）中的两侧施加0.3 V的直流电压后，设计区域的上边中点处产生向上的输出位移。它采用节点密度法得到的拓扑优化结果如图7.6（b）所示。

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图7.6　第二种电热微致动器拓扑优化的设计区域和结果

（a）设计区域；（b）拓扑优化结果

3.算例3

电热式夹持机构拓扑优化的设计区域是长度为500μm的正方形，如图7.7（a）所示，所用的材料属性和算例1相同。它的目标是在图7.7（a）中所示的上下两侧同时施加0.3 V的直流电后，设计区域的右侧产生张合动作。其采用节点密度法得到的拓扑优化结果如图7.7（b）所示。

图7.7　电热式夹持机构拓扑优化的设计区域和结果

（a）设计区域；（b）拓扑优化结果