CN116306133B - 一种复合材料机械臂多尺度优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料机械臂多尺度优化设计方法，包括以下步骤：环境搭建，安装Python，ADAMS、ABAQUS、TEXGEN和MATLAB软件；根据复合材料的微观尺度编写代表性体积单元的Python脚本；建立复合材料的代表性体积单元；对三维模型施加周期性边界条件，进行有限元分析分析并提取当前复合材料的材料性能；按照机械臂结构的可设计变量建立复合材料部件的有限元模型；对上述有限元模型进行模态分析；利用模态分析文件建立动力学模型并求解动力方程，提取动力学数据；根据动力学数据构建代理模型，采用多目标遗传算法进行机械臂的设计优化。本发明联合多软件构建复合材料机械臂的多尺度仿真系统，实现机械臂的自动化多尺度动力学建模，以此进行机械臂的设计优化。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种复合材料机械臂多尺度优化设计方法。
背景技术
轻质机械臂被广泛用于工业制造、航空航天、医疗手术和其他领域。与传统的刚性机械臂相比，它们具有一些优势，如更高的速度、更低的功率消耗、和更强的有效载荷能力。对于工程师来说，与传统的金属相比，复合材料的主要优点之一是其重量密度较低，可以取代轻质机械臂中的金属材料来进一步降低重量。目前，复合材料机械臂的优化设计可大致分为两类：结构优化设计和材料优化设计。在前者中，可以对机械臂的结构进行尺寸优化、形状优化或拓扑优化来试图实现机械臂的最佳平衡（如重量、成本和控制精度）。而在后者中则通过对复合材料进行设计优化以实现更优异的机械性能。
现有技术中存在以下专利申请，
三维编织复合材料机械臂及其工程机械设备，20162018124.7；
混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料及其在机械臂中的应用，202110148441.6；
上述专利主要关注于复合材料的设计优化，即通过设计复合材料来提升材料的机械性能，最终提升机械臂的综合性能。当前的复合材料机械臂的设计方法大多只单一考虑复合材料的优化或机械臂的结构优化，而未考虑复合材料机械臂的多尺度综合优化使得复合材料的优势在机械手上无法进一步发挥。
发明内容
发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种复合材料机械臂多尺度优化设计方法，联合ADAMS、ABAQUS、TEXGEN和MATLAB软件构建复合材料机械臂的多尺度仿真系统，实现机械臂的自动化多尺度动力学建模，以此进行机械臂的设计优化。
技术方案：本发明所公开的复合材料机械臂多尺度优化设计方法，包括以下步骤：
S1、环境搭建，安装Python，ADAMS、ABAQUS、TEXGEN和MATLAB软件，设置相应的环境变量；
S2、根据复合材料的微观尺度编写代表性体积单元的Python脚本；
S3、建立复合材料的代表性体积单元，导出其三维模型文件；
S4、对三维模型进行网格划分，分配增强相和基体相的材料参数，施加周期性边界条件，进行有限元分析分析并提取当前复合材料的材料性能参数；
S5、按照机械臂结构的可设计变量建立复合材料部件的有限元模型；
S6、对上述有限元模型进行模态分析，导出当前部件的模态中性文件；
S7、利用模态分析文件建立动力学模型并求解动力方程，提取动力学数据；
S8、根据动力学数据构建代理模型，基于代理模型，采用多目标遗传算法进行机械臂的设计优化。
其中，S2中采用MATLAB软件平台编写，涉及到复合材料的微观尺度的可设计变量，包括基体相和增强相的体积比例、增强相的分布形式。
进一步的，S3具体为采用MATLAB软件调用Python脚本导入TEXGEN软件用于建立复合材料的代表性体积单元，并导出其三维模型文件。
进一步的，S4具体为采用MATLAB软件的GUI开发编织系统功能调用ABAQUS软件导入代表性体积单元的三维模型文件，对模型进行网格划分，分配增强相和基体相的材料参数，按照三维模型的特点施加周期性边界条件，进行有限元分析分析并提取当前复合材料的材料性能。
进一步的，S5具体为按照机械臂结构的可设计变量建立复合材料部件的三维模型，在ABAQUS软件中导入三维模型，对模型进行网格划分，分配S4中获得的材料性能，施加边界条件并进行有限元分析。
进一步的，S6具体为建立部件的接触点，并创建蛛网结构进行连接，之后模型进行模态分析，并导出当前部件的模态中性文件。
进一步的，S7具体包括：
S7.1、采用MATLAB软件编写ADAMS软件的脚本，导入机械臂的三维模型，确定部件的尺度和材料，定义各个部件的接触、约束和工况；
S7.2、采用MATLAB软件编写脚本并调用S6生成的模态中性文件在ADAMS软件中替换对应的刚性部件；
S7.3、调用ADAMS软件的多体力学求解器用于求解复合材料机械臂系统，提取动力学数据。
进一步的，多次重复S2-S7，生成多组变量数据。
进一步的，S8具体为采用生成的数据构建克里金代理模型，基于构建的代理模型，调用MATLAB软件的受控精英遗传算法对复合材料机械臂进行优化设计。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本发明基于MATLAB软件平台对其他软件文件进行数据读取修改、求解器调用和结果读取子程序，其中，TEXGEN用于复合材料代表性体积单元的建模，ABAQUS用于复合材料性能的计算以及复合材料部件的有限元模型的构建和求解，ADAMS用于机械臂动力学模型的构建和求解，联合ADAMS、ABAQUS、TEXGEN和MATLAB软件构建复合材料机械臂的多尺度仿真系统，实现机械臂的自动化多尺度动力学建模，以此进行机械臂的设计优化。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明实施例中进行多目标优化的机械臂结构示意图；
图3为本发明实施例中帕累托解集图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示的复合材料机械臂多尺度优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：环境搭建，安装Python，ADAMS、ABAQUS、TEXGEN和MATLAB软件，设置相应的环境变量。
步骤2：采用MATLAB软件平台根据复合材料的微观尺度编写代表性体积单元（RVE）的Python脚本，其中涉及到复合材料的微观尺度的可设计变量，如基体相和增强相的体积比例，增强相的分布形式等。
步骤3：采用MATLAB软件调用Python脚本（.py）导入TEXGEN软件用于建立复合材料的代表性体积单元，并导出其三维模型文件(.iges)。
步骤4：采用MATLAB软件的GUI开发编织系统功能调用ABAQUS软件导入代表性体积单元的三维模型文件，对模型进行网格划分，分配增强相和基体相的材料参数。按照三维模型的特点施加周期性边界条件，进行有限元分析分析并提取当前复合材料的材料性能。
步骤5：按照机械臂结构的可设计变量建立复合材料部件的三维模型（.iges），在ABAQUS软件中导入三维模型，对模型进行网格划分，分配步骤4中获得的材料性能，施加边界条件并进行有限元分析。
步骤6：建立部件的接触点，并创建蛛网结构进行连接，之后模型进行模态分析，并导出当前部件的模态中性文件（.mnf）。
步骤7：采用MATLAB软件编写ADAMS软件的脚本，其中需要导入机械臂的三维模型，确定部件的尺度和材料，定义各个部件的接触、约束和工况。
步骤8：采用MATLAB软件编写脚本并调用步骤6生成的模态中性文件在ADAMS软件中替换对应的刚性部件。
步骤9：调用ADAMS软件的多体力学求解器用于求解复合材料机械臂系统，提取动力学数据。
步骤10：多次重复步骤2-步骤9，生成多组变量数据。采用生成的数据构建克里金（Kriging）代理模型。其中，样本数据量越多则代理模型越准确。
步骤11：基于构建的代理模型，调用MATLAB软件的受控精英遗传算法对复合材料机械臂进行优化设计。
采用本发明的方法对图2中的机械臂进行多目标优化，末端的物体由机械手关节处的两个电机控制画一个圆，两个连杆由二维三轴碳纤维复合材料制造，其中设计过程寻求更低的质量和成本，同时要求机械臂尖端的最大控制误差不超过初始的最大误差。
通过优化平台，多目标优化问题的解是帕累托（pareto）解集，如图3所示，可以根据需要选择最终的优化结果，其中机械臂的质量和成本都有30%以上的降低。机械臂的宏观结构和复合材料的微观结构被一起考虑，以便在多目标优化中获得更好的优化结果。
Claims (1)
1.一种复合材料机械臂多尺度优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、环境搭建，安装Python，ADAMS、ABAQUS、TEXGEN和MATLAB软件，设置相应的环境变量；
S2、根据复合材料的微观尺度编写代表性体积单元的Python脚本；
S3、建立复合材料的代表性体积单元，导出其三维模型文件；
S4、对三维模型进行网格划分，分配增强相和基体相的材料参数，施加周期性边界条件，进行有限元分析分析并提取当前复合材料的材料性能参数；
S5、按照机械臂结构的可设计变量建立复合材料部件的有限元模型；
S6、对上述有限元模型进行模态分析，导出当前部件的模态中性文件；
S7、利用模态分析文件建立动力学模型并求解动力方程，提取动力学数据；
S8、根据动力学数据构建代理模型，基于代理模型，采用多目标遗传算法进行机械臂的设计优化；
其中：
S5具体为按照机械臂结构的可设计变量建立复合材料部件的三维模型，在ABAQUS软件中导入三维模型，对模型进行网格划分，分配S4中获得的材料性能，施加边界条件并进行有限元分析；
S6具体为建立部件的接触点，并创建蛛网结构进行连接，之后模型进行模态分析，并导出当前部件的模态中性文件；
S7具体包括：
S7.1、采用MATLAB软件编写ADAMS软件的脚本，导入机械臂的三维模型，确定部件的尺度和材料，定义各个部件的接触、约束和工况；
S7.2、采用MATLAB软件编写脚本并调用S6生成的模态中性文件在ADAMS软件中替换对应的刚性部件；
S7.3、调用ADAMS软件的多体力学求解器用于求解复合材料机械臂系统，提取动力学数据；
其中，S2中采用MATLAB软件平台编写，涉及到复合材料的微观尺度的可设计变量，包括基体相和增强相的体积比例、增强相的分布形式；
S3具体为采用MATLAB软件调用Python脚本导入TEXGEN软件用于建立复合材料的代表性体积单元，并导出其三维模型文件；
S4具体为采用MATLAB软件的GUI开发编织系统功能调用ABAQUS软件导入代表性体积单元的三维模型文件，对模型进行网格划分，分配增强相和基体相的材料参数，按照三维模型的特点施加周期性边界条件，进行有限元分析分析并提取当前复合材料的材料性能；
多次重复S2-S7，生成多组变量数据；
S8具体为采用生成的数据构建克里金代理模型，基于构建的代理模型，调用MATLAB软件的受控精英遗传算法对复合材料机械臂进行优化设计。
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