بهینه سازی توپولوژی چند مقیاسی برای طراحی مکانیسم سازگار متخلخل

مکانیزم های سازگار دسته ای از سیستم های مکانیکی هستند که به گونه ای طراحی شده اند که دارای درجه ای از انعطاف پذیری یا انطباق برای انجام یک کار یا عملکرد خاص باشند. این مکانیسم‌ها می‌توانند برای ارائه ویژگی‌های حرکت یا تغییر شکل خاص طراحی شوند، و اغلب در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آن مکانیسم‌های صلب سنتی برای پیاده‌سازی دشوار یا غیرممکن است. یکی از مزایای اصلی استفاده از مکانیسم‌های سازگار، توانایی آن‌ها در سازگاری با تغییرات تحت شرایط بارگذاری تجویز شده است. این می تواند منجر به بهبود عملکرد، افزایش دقت و دوام بیشتر در مقایسه با مکانیسم های سفت و سخت سنتی شود [1]، [2]. علاوه بر این، مکانیسم‌های سازگار اغلب مشخصات پایین‌تری دارند و به فضای کمتری نسبت به مکانیسم‌های سنتی نیاز دارند، که آنها را برای کاربردهایی که فضا محدود است مناسب می‌سازد. مکانیسم‌های سازگار در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله روباتیک، هوافضا، خودروسازی، ساخت‌وسازها، دستگاه‌های پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی مورد استفاده قرار گرفته‌اند [3]، [4]. در رباتیک، مکانیسم‌های سازگار اغلب در طراحی محرک‌های سازگار استفاده می‌شوند که می‌توانند با تغییرات محیطی سازگار شوند و حرکت طبیعی و نرم‌تری ایجاد کنند. در هوافضا و خودرو، مکانیسم‌های سازگار در طراحی بال‌ها و ارابه فرود برای ارائه عملکرد بهبود یافته و انعطاف‌پذیری بیشتر استفاده می‌شود. علاوه بر این، و با توجه به توانایی آنها در انتقال انرژی ذخیره شده برای تجویز حرکت، مکانیسم سازگار دارای توانایی منحصر به فردی برای استفاده از منابع انرژی مختلف است که دامنه کاربردهای آن را گسترش می دهد [5]، [6]، [7]، [8] . این بدان معنی است که می تواند انواع مختلفی از انرژی ها را برای رسیدن به حرکت برداشت کند.

در این کار، ما بر روی استفاده از گرما به عنوان یک منبع انرژی تمرکز می کنیم. بنابراین، ما در مورد نوع خاصی از مکانیسم سازگار بحث می کنیم که مکانیسم سازگار با گرما فعال می شود. این نوع مکانیسم ها بر انبساط حرارتی یک ماده برای دستیابی به حرکت یا تغییر شکل تکیه می کنند [15]، [16]، [17]. این مکانیسم‌ها معمولاً از یک پیکربندی فضایی تشکیل شده‌اند که به مواد اجازه می‌دهد در صورت قرار گرفتن در معرض دمای خاص، شکل یا اندازه را تغییر دهند. تغییر در اندازه و/یا شکل به گونه ای طراحی شده است که حرکت یا حرکت خاصی را ایجاد کند. مکانیسم‌های سازگار با گرما نسبت به مکانیسم‌های سازگار سنتی دارای مزایای متعددی هستند. آنها به شدت به تغییرات دما پاسخ می دهند و می توانند به سرعت و به راحتی فعال شوند. علاوه بر این، می توان آنها را طوری طراحی کرد که دقت و تکرارپذیری بالایی داشته باشند. مکانیسم‌های سازگار با گرما در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله هوافضا، خودرو، و تجهیزات پزشکی استفاده شده‌اند. علیرغم مزایا و مزایای بی‌شماری که مکانیسم‌های سازگار ارائه می‌دهند، اجرای آن‌ها در برنامه‌های کاربردی با دقت بالا هنوز یک چالش است. یکی از چالش های اصلی اطمینان از کنترل دقیق و دقیق حرکت است، زیرا انعطاف پذیری مکانیزم می تواند منجر به تغییر شکل ناخواسته شود و بر عملکرد کلی تأثیر بگذارد. چالش دیگر، مشکل در مدل‌سازی و پیش‌بینی رفتار مکانیسم‌های سازگار (به‌ویژه با استفاده از گرما به عنوان منبع انرژی)، است که می‌تواند طراحی و بهینه‌سازی آنها را برای یک کاربرد خاص دشوار کند. علاوه بر این، دستیابی به تعادل بهینه بین به حداقل رساندن وزن مکانیسم سازگار و حصول اطمینان از حفظ عملکرد آن هنوز چالشی است که با اجرای مکانیسم سازگار در زمینه های مهندسی مدرن و آینده نگرانه با دقت بالا مانند میکروالکترونیک مواجه است. علاوه بر این، دستیابی به جابجایی با دقت بالا بدون در نظر گرفتن تأثیر شرایط کاری دشوار است [18]. به عنوان مثال، در مورد مکانیسم انطباق فعال شده با گرما، همرفت واکنش ساختاری را به دلیل نشت انرژی سیستم تغییر می‌دهد [19]، [20]، [21]. دستیابی به جابجایی با دقت بالا بدون در نظر گرفتن تاثیر شرایط کاری دشوار است [18]. به عنوان مثال، در مورد مکانیسم انطباق فعال شده با گرما، همرفت واکنش ساختاری را به دلیل نشت انرژی سیستم تغییر می‌دهد [19]، [20]، [21]. دستیابی به جابجایی با دقت بالا بدون در نظر گرفتن تاثیر شرایط کاری دشوار است [18]. به عنوان مثال، در مورد مکانیسم انطباق فعال شده با گرما، همرفت واکنش ساختاری را به دلیل نشت انرژی سیستم تغییر می‌دهد [19]، [20]، [21].

این چالش‌ها منجر به تلاش‌های تحقیقاتی مداوم برای توسعه تکنیک‌های طراحی جدید، و همچنین مدل‌سازی و ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته برای بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان مکانیزم‌های سازگار در کاربردهای با دقت بالا شده است. یکی از روش های طراحی بسیار موثر، بهینه سازی توپولوژی است. بهینه‌سازی توپولوژی یک روش قدرتمند برای طراحی مکانیسم‌های سازگار است، زیرا امکان کاوش کارآمد و مؤثر فضای طراحی را فراهم می‌کند. این فرآیند شامل استفاده از روش‌های عددی برای بهینه‌سازی چیدمان و هندسه مکانیزم است، به طوری که مجموعه‌ای از معیارهای عملکرد از پیش تعریف‌شده را برآورده می‌کند و در عین حال مصرف مواد را به حداقل می‌رساند. این می تواند منجر به ایجاد مکانیسم های سازگار با وزن سبک و در عین حال بسیار موثر و کارآمد شود. [22]، [23].

اساس بهینه سازی توپولوژی توسط میشل [24]، بر اساس کار پیشگام جی. ماکسول در سال 1869 [25] ایجاد شده است. بهینه سازی توپولوژی با پیشرفت در روش های عددی و قدرت محاسباتی به رشد خود ادامه داد [26]، [27]، [28]، [29]، [30]، [31]، [32]. یکی از اولین کاربردهای بهینه سازی توپولوژی برای طراحی مکانیسم های سازگار، کار Ananthasuresh و همکاران [33] بود. کار آنها گسترش بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر همگن سازی [34] بود. با این حال، به نظر می‌رسد نتایج به‌جای دریافت طراحی مکانیسم سازگار قابل اجرا، راه‌حل‌هایی را برای مشکل طراحی انطباق متوسط ​​نشان می‌دهند، به طوری که مکانیسم‌های حاصل به اندازه کافی انعطاف‌پذیر نیستند. زیگموند [35] یک تکنیک متفاوت را با مدل‌سازی بار خروجی به‌عنوان فنری توسعه داد که ماهیت قطعه کار نگه‌داشته شده در درگاه خروجی مکانیسم سازگار را نشان می‌دهد و اجازه مدیریت رفتار ورودی-خروجی را با استفاده از انرژی کرنش مکانیکی به عنوان تابع هدف می‌دهد. حداکثر کردن نسبت دو انرژی متقابل، که در آن دو مسئله اجزای محدود مختلف به عنوان یک رویکرد طراحی مکانیسم سازگار توسط Frecker و همکاران، [36] استفاده می‌شود. Saxena و Ananthasuresh [37] همچنین از تکنیک مکانیسم های ایجاد مسیر به عنوان هدفی برای طراحی مکانیسم سازگار استفاده کردند. نیشیواکی و همکاران، [38] یک تکنیک بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر همگن سازی انعطاف پذیر را برای طراحی مکانیسم های سازگار پیشنهاد کردند. این تکنیک یک تابع چند هدفه از انطباق میانگین متقابل برای بیان انعطاف پذیری ایجاد کرد که شباهت هایی به کار قبلی زیگموند دارد. چندین مثال عددی ارائه شد تا نشان دهد که چگونه می توان از مفهوم طراحی ساختار انعطاف پذیر در توسعه مکانیزم های سازگار استفاده کرد. علاوه بر این، روش همگن سازی مبتنی بر ریزساختار [39]، روش درون یابی SIMP [40]، روش تنظیم سطح [41]، و روش ESO با موفقیت برای طراحی مکانیسم منطبق بر مسطح با نیروهای اعمال شده مستقیم اعمال می‌شوند.

علاوه بر این، زو و همکاران. [42] یک روش بهینه‌سازی توپولوژی چند ماده‌ای کارآمد و مقرون‌به‌صرفه، معروف به روش درون‌یابی چند ماده‌ای مرتب شده SIMP، پیشنهاد کرد که نیاز به معرفی متغیرهای جدید را از بین می‌برد. چو و همکاران [43] یک رویکرد مبتنی بر مجموعه سطح را برای بهینه‌سازی مکانیسم‌های سازگار با محدودیت‌های استرس معرفی کرد، که امکان دستیابی به جابجایی، انطباق و کنترل تنش بهینه را فراهم می‌کرد. رستمی و همکاران [44] تجزیه و تحلیل توپولوژی های بهینه برای مکانیسم های سازگار با چند ماده را با استفاده از رویکرد گرادیان پیش بینی شده منظم انجام داد. علاوه بر این، سیواپورام و همکاران. [45] یک رویکرد جدید برای بهینه‌سازی چند مقیاسی نشان داد، که امکان بهینه‌سازی همزمان ساختار و مواد را در مقیاس کلان و خرد فراهم می‌کرد.

برخی از محققان در مورد مکانیسم های سازگار با حرارت فعال شده مانند Jonsmann و همکاران بحث کردند. [46] بنابراین آنها مشکل بهینه‌سازی توپولوژی ریزمحرک تک مقیاس حرارتی را تحت یک میدان دمایی یکنواخت با نمونه‌های اولیه میکرومقیاس آزمایش کردند. Yin و Ananthasuresh [47] چندین روش سیستماتیک را برای بهینه‌سازی توپولوژی مکانیسم‌های سازگار با الکتروترمال فعال کردند. در کار آنها، رفتار مکانیسم های الکتروترمال با و بدون همرفت مدل سازی به طور قابل توجهی متفاوت است. علاوه بر این، آنسولا و همکاران، [13] بهینه‌سازی توپولوژی مکانیسم‌های سازگار حرارتی را تحت میدان‌های دمایی یکنواخت با استفاده از استراتژی افزودن عنصر بررسی کردند. خوانندگان می توانند بحث جامعی از مقالات سازوکار سازگار در ژو و همکاران، [48] بیابند.

بهینه‌سازی توپولوژی چند مقیاسی همزمان روشی است که امکان طراحی یک سازه را در مقیاس‌های چندگانه به طور همزمان فراهم می‌کند. این رویکرد به ویژه هنگام طراحی سازه هایی که دارای ویژگی های مقیاس میکرو و کلان هستند (یعنی ساختار متخلخل) مفید است. با در نظر گرفتن هر دو مقیاس به طور همزمان، این روش امکان بهینه‌سازی ساختار کلی را فراهم می‌کند و در عین حال اطمینان می‌دهد که ویژگی‌های مقیاس میکرو با ویژگی‌های مقیاس کلان سازگار هستند. یکی از مزایای اصلی بهینه‌سازی توپولوژی چند مقیاسی همزمان این است که دستیابی به ساختارهای بسیار کم وزن را بدون به خطر انداختن یکپارچگی سازه و عملکرد آن امکان‌پذیر می‌سازد. با بهینه سازی ساختار در مقیاس های چندگانه، این روش می تواند مواد غیر ضروری را شناسایی و حذف کند. منجر به ایجاد ساختارهایی می شود که بسیار کارآمد و سبک وزن هستند. این می تواند به ویژه برای کاربردهایی مانند هوافضا و خودرو که کاهش وزن برای بهبود عملکرد و کاهش مصرف سوخت حیاتی است، مهم باشد. این روش شامل استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی برای بهینه‌سازی طرح و هندسه سازه در مقیاس‌های چندگانه، با در نظر گرفتن تعاملات بین مقیاس‌های مختلف است. با انجام این کار، امکان ایجاد ساختارهایی را فراهم می کند که بسیار کارآمد و موثر هستند، در حالی که هزینه محاسباتی و زمان مورد نیاز برای بهینه سازی ساختار را نیز کاهش می دهد [49]، [50]، [51]. این روش شامل استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی برای بهینه‌سازی طرح و هندسه سازه در مقیاس‌های چندگانه، با در نظر گرفتن تعاملات بین مقیاس‌های مختلف است. با انجام این کار، امکان ایجاد ساختارهایی را فراهم می کند که بسیار کارآمد و موثر هستند، در حالی که هزینه محاسباتی و زمان مورد نیاز برای بهینه سازی ساختار را نیز کاهش می دهد [49]، [50]، [51]. این روش شامل استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی برای بهینه‌سازی طرح و هندسه سازه در مقیاس‌های چندگانه، با در نظر گرفتن تعاملات بین مقیاس‌های مختلف است. با انجام این کار، امکان ایجاد ساختارهایی را فراهم می کند که بسیار کارآمد و موثر هستند، در حالی که هزینه محاسباتی و زمان مورد نیاز برای بهینه سازی ساختار را نیز کاهش می دهد [49]، [50]، [51].

برخی از محققان به مشکل بهینه سازی توپولوژی چند مقیاسی همزمان چندفیزیکی مانند دنگ و همکاران، [52] پرداختند. آنها در تحقیقات خود به یک مشکل ترموالاستیک کاهش انبساط حرارتی و افزایش سفتی سازه پرداختند. علاوه بر این، نویسندگان یک روش بهینه سازی شکل ریزساختار را با هدف دستیابی به ساختار با جابجایی تجویزی با استفاده از روش گرادیان H ^{1 پیشنهاد کردند [53].} برای مکانیسم سازگار چند مقیاسی، و علاوه بر کار سیواپورام و همکاران. که روش تنظیم سطح را برای مکانیسم سازگار بارگذاری شده مکانیکی چند مقیاسی [45] بررسی کرد، با توجه به بهترین دانش نویسندگان، تحقیقات بیشتری برای مکانیسم سازگار چند مقیاسی وجود ندارد.

در این تحقیق، ما یک بررسی کامل در مورد تأثیر نرخ همرفت بر طراحی بهینه‌سازی توپولوژی برای مکانیسم‌های سازگار متخلخل فعال شده با گرما انجام می‌دهیم. مطالعه ما بینش های نوآورانه ای را در مورد نقش همرفت گرما در فرآیند بهینه سازی چند مقیاسی ارائه می دهد. تازگی این مقاله در چند جنبه نهفته است. در مرحله اول، ما یک بررسی سیستماتیک برای درک تأثیر نرخ همرفت بر طراحی بهینه‌سازی توپولوژی انجام می‌دهیم. با مطالعه رابطه بین همرفت گرما و نتایج طراحی، ما بینش های ارزشمندی را در مورد چگونگی تأثیر همرفت بر طراحی نهایی ارائه می دهیم. این پیشرفت در درک برای محققانی که در زمینه بهینه سازی توپولوژی کار می کنند بسیار مهم است. ثانیا، مطالعه ما بر ارزیابی انعطاف‌پذیری مسئله طراحی در هنگام در نظر گرفتن همرفت متمرکز است. طرح های واقع گرایانه در بهینه سازی توپولوژی باید اثرات همرفتی را در نظر بگیرند و تحقیق ما به این جنبه مهم می پردازد. با ارزیابی دقیق تأثیر همرفت، ما به توسعه روش‌های طراحی قابل اعتمادتر و عملی‌تر کمک می‌کنیم. علاوه بر این، ما وابستگی ریزمقیاس مکانیسم‌های سازگار متخلخل فعال‌شده با گرما را از طریق مثال‌های عددی مختلف بررسی می‌کنیم. این بررسی به ما کمک می‌کند تا پیچیدگی‌های تعاملات خرد در فرآیند بهینه‌سازی را بهتر درک کنیم. علاوه بر این، ما اتصال بهینه سازی چند ریزساختاری را بررسی می کنیم و یک مطالعه مقایسه ای را با در نظر گرفتن عملکرد و قابلیت ساخت افزودنی انجام می دهیم. ما به توسعه روش های طراحی قابل اعتمادتر و عملی تر کمک می کنیم. علاوه بر این، ما وابستگی ریزمقیاس مکانیسم‌های سازگار متخلخل فعال‌شده با گرما را از طریق مثال‌های عددی مختلف بررسی می‌کنیم. این بررسی به ما کمک می‌کند تا پیچیدگی‌های تعاملات خرد در فرآیند بهینه‌سازی را بهتر درک کنیم. علاوه بر این، ما اتصال بهینه سازی چند ریزساختاری را بررسی می کنیم و یک مطالعه مقایسه ای را با در نظر گرفتن عملکرد و قابلیت ساخت افزودنی انجام می دهیم. ما به توسعه روش های طراحی قابل اعتمادتر و عملی تر کمک می کنیم. علاوه بر این، ما وابستگی ریزمقیاس مکانیسم‌های سازگار متخلخل فعال‌شده با گرما را از طریق مثال‌های عددی مختلف بررسی می‌کنیم. این بررسی به ما کمک می‌کند تا پیچیدگی‌های تعاملات خرد در فرآیند بهینه‌سازی را بهتر درک کنیم. علاوه بر این، ما اتصال بهینه سازی چند ریزساختاری را بررسی می کنیم و یک مطالعه مقایسه ای را با در نظر گرفتن عملکرد و قابلیت ساخت افزودنی انجام می دهیم.

به این ترتیب، تمرکز اصلی این مقاله معرفی یک رویکرد جدید از بهینه‌سازی توپولوژی چند مقیاسی و چندفیزیکی برای طراحی مکانیسم‌های سازگار سلولی سبک وزن با پرداختن به همرفت گرما است. هدف ایجاد مکانیسم‌های سازگار متخلخل فعال شده با گرما است که هم بسیار سبک وزن هستند و هم قادر به در نظر گرفتن اثر همرفت گرما هستند. مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است: بخش 2 فرمول مسئله ترمو مکانیکی جفت شده را ارائه می کند و روش همگن سازی اعمال شده را توصیف می کند. در بخش 3، مثال های عددی برای نشان دادن اثربخشی روش پیشنهادی ارائه شده است. در نهایت، بخش 4 مقاله را با خلاصه کردن یافته ها و مشارکت های کلیدی به پایان می رساند.