近日，广州大学机械与电气工程学院朱大昌教授及其合作者在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》(简称CMAME，中科院分区：1区；影响因子：6.588)与机构学顶级期刊《Mechanism and Machine Theory》(简称MMT，中科院分区：1区；影响因子：4.93)分别发表了题为“Macro-microscale topological design for compliant mechanisms with special mechanical properties”和“Topology optimization of a spatial compliant parallel mechanism based on constant motion transmission characteristic matrix”的研究论文，提出了一种定量设计柔顺机构力学特性的拓扑优化方法和一种基于空间刚体机构恒运动传递特性的全柔顺机构拓扑优化设计方法。

文章链接：10.1016/j.cma.2023.115970、10.1016/j.mechmachtheory.2022.105125

一、宏微观拓扑设计具有特殊力学特性的柔顺机构

图1 CMAME文章的核心思路

柔顺机构具有无间隙、无摩擦磨损、无装配误差与无累计误差等传统刚体机构不具备的优点，在航空航天、微纳米精密制造、机器人柔性装配等高精密场合有重大应用前景，但目前如何精确设计柔顺机构、弹性体的力学特性仍然是国际上面临的难题。该研究工作提出一种宏微观尺度的拓扑优化设计方法，在宏观尺度上利用柔度矩阵因子作为FMO模型的性能约束条件，对连续体结构各离散单元材料属性同时进行设计得到宏观上性能最优的柔顺机构；另一方面，在微观尺度中对宏观优化结果的离散单元进行逆均匀化设计使其在可制造的前提下满足所需的力学特性。最终所得柔顺机构力学特性满足设计所需性能，解决了弹性体精密变形设计问题。

《CMAME》期刊由美国三院院士、等几何分析发明人Thomas J.R. Hughes教授等担任主编，旨在发表计算力学、固体力学领域前沿原创性研究，拓扑优化领域经典水平集、多尺度优化、深度学习等方法均在此期刊发表。

二、基于恒运动传递特性矩阵的空间全柔顺并联机构的拓扑优化设计

图2 MMT文章的核心思路

空间柔顺机构的设计方法有伪刚体法与拓扑优化方法，但设计方法所依赖的理论仍不清晰。该研究方法提出了一种从具有特殊运动特性(恒运动传递特性)的并联机构出发，对其进行运动学分析并以其恒运动雅可比矩阵作为性能约束，结合拓扑优化方法设计具有性能最优的柔顺机构，仿真与实验表明拓扑优化所得柔顺机构与原空间刚体机构具有运动同构性。

《MMT》期刊旨在发表机械、机构学与机器人领域相关前沿科学研究，著名机构拓扑优化与折纸机构学方法均在此期刊发表。