CHƯƠNG 4: CÁC BÀI BÁO NGHIÊN CỨU
4.4.4. Tối ưu hoá cấu trúc
Một số bài báo đề cập đến vấn đề thiết kế cấu trúc khớp nối cho bộ truyền động áp điện. Cách tiếp cận này trái ngược với vị trí bộ truyền động phương pháp tiếp cận nơi các
bộ truyền động có kích thước và/hoặc được đặt trên các cấu trúc được xác định trước.
Trong tối ưu hóa cấu trúc, cấu trúc được thiết kế tối ưu cho một hoặc nhiều bộ truyền động được xác định trước. Hầu hết các bài báo trong tổng quan này liên quan đến tối ưu hóa cấu trúc liên kết, trong đó mục tiêu là xác định kết nối cấu trúc tối ưu của vật liệu.
Tối ưu hóa cấu trúc liên kết có thể được coi là xác định số lượng, kích thước và vị trí của các lỗ trong cấu trúc. Các phương pháp khác nhau để tham số hóa miền thiết kế được sử dụng trong tối ưu hóa cấu trúc liên kết, chẳng hạn như lưới kê đơn gồm các phần tử hình vuông hoặc mạng dày đặc các phần tử tuyến tính được gọi là cấu trúc nền. Các tài liệu tối ưu hóa cấu trúc được tóm tắt trong Bảng 5.
Cách tiếp cận cấu trúc mặt đất đã được Frecker và Canfield (2000) và Canfield và Frecker (2000) sử dụng để thiết kế các cơ chế tuân thủ hoạt động như bộ khuếch đại hành trình cho bộ truyền động ngăn xếp áp điện. Các chức năng mục tiêu là tối đa hóa lợi thế hình học (khuếch đại hành trình) hoặc tối đa hóa hiệu suất cơ học. Trong cách tiếp cận kết cấu nền, mạng lưới các phần tử giàn hoặc khung được quy định và diện tích mặt cắt ngang của các phần tử là các biến thiết kế. Giới hạn dưới của các biến thiết kế được đặt ở một số rất nhỏ, sao cho các phần tử đạt đến giới hạn dưới có thể được bỏ qua và các yếu tố còn lại xác định cấu trúc liên kết tối ưu. Tổng ràng buộc về khối lượng cũng được áp dụng để hạn chế trọng lượng hoặc số lượng vật liệu được sử dụng. Phương pháp lập trình tuyến tính tuần tự (SLP) hoặc phương pháp tiêu chí tối ưu (OC) được sử dụng để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa.
Kota et al. (1999) cũng xem xét vấn đề thiết kế cơ chế tuân thủ khuếch đại hành trình sử dụng cách tiếp cận cấu trúc nền. Họ kiểm tra các chức năng mục tiêu dựa trên năng lượng khác nhau bao gồm tối đa hóa hiệu suất cơ học. Các tác giả này đã đưa giải pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết tiến thêm một bước bằng cách đề xuất quy trình tối ưu hóa hình dạng và kích thước giai đoạn hai. Cấu trúc liên kết tối ưu được xác định bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận cấu trúc mặt đất và thuật toán SLP solution. Sau đó, hình dạng của cấu trúc liên kết được tinh chỉnh bằng cách cho phép các gnodes đi lang thang và hơn nữa kích thước của các phần tử riêng lẻ. Các ràng buộc ứng suất rất khó thực thi ở giai đoạn tối ưu hóa cấu trúc liên kết do tính chất cục bộ của chúng, nhưng các ràng buộc ứng suất đã được kết hợp trong tối ưu hóa hình dạng/kích thước với những lợi ích thực tế rõ ràng. Trong quá trình tối ưu hóa, lực lượng đầu vào được giả định là đã biết và được cung cấp bởi nguồn không chung chung. Tuy nhiên, các ví dụ được trình bày bao gồm cơ chế tuân thủ vi mô khuếch đại đột quỵ và cơ chế tuân thủ điều khiển hình dạng được kích hoạt bởi dây aSMA.
Nelli Silva et al. (1999, 2000) sử dụng phương pháp đồng nhất hóa để tối ưu hóa cấu trúc liên kết của vi cấu trúc vật liệu hỗn hợp áp điện và bộ truyền động uốn dẻo hoặc cấu trúc khớp nối thụ động cho bộ truyền động áp điện. Trong bài toán vi cấu trúc vật chất, hàm mục tiêu cực đại hóa thủy tĩnh hệ số khớp nối, tối đa hóa giá trị đặc tính thủy tĩnh, hoặc tối đa hóa hệ số khớp nối cơ điện thủy tĩnh. Tất cả các vấn đề này đều được xây dựng dưới dạng thiết kế cấu trúc vi mô vật liệu với các đặc tính hỗn hợp áp điện được quy định, nhưng các phần tử áp điện trong cấu trúc vi mô được xác định trước và bản thân chúng không được tối ưu hóa. Họ cũng đề xuất một sự kết hợp giữa tối đa hóa độ dẫn truyền trung bình và giảm thiểu độ tuân thủ trung bình của các cấu trúc khớp nối thụ động. Một thiết bị truyền động áp điện chung được mô hình hóa như một tập hợp các phần tử áp điện hình vuông. Trong cả hai loại bài toán, phương pháp đồng nhất hóa được sử dụng để tính toán các đặc tính đàn hồi hiệu quả của cấu trúc vi mô, được tham số hóa dưới dạng cấu trúc đục lỗ với các lỗ hình chữ nhật. Kích thước và hướng của các lỗ đóng vai trò là biến thiết kế và có thể được coi là mật độ phần tử. Các ràng buộc bao gồm giới
hạn trên đối với tổng khối lượng vật liệu và giới hạn đối với các biến thiết kế. Chức năng xử phạt đối với các phần tử trung gian và giới hạn đối với độ cứng hiệu dụng cũng được bao gồm. Phương pháp SLP được sử dụng để giải các bài toán tối ưu.
Sigmund và Torquato (1999) sử dụng một cách tiếp cận rất giống nhau trong việc thiết kế các vi cấu trúc vật liệu composite áp điện. Theo cách tiếp cận của họ, một vật liệu tổng hợp bao gồm một vật liệu polyme mềm với các thanh áp điện xuyên suốt độ dày được giả định. Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết được sử dụng để thiết kế cấu trúc vi mô vật liệu của ma trận polymer trong vật liệu composite. Cấu trúc liên kết của các thanh áp điện vẫn cố định, nhưng phần thể tích của chúng thay đổi theo sự tối ưu hóa.
Các hàm mục tiêu đang cực đại hóa hệ số điện tích thủy tĩnh hiệu quả, hoặc cực đại hóa bình phương của hệ số khớp nối cơ điện. Vật liệu đẳng hướng đơn giản với phương pháp xử lý hình phạt (SIMP) được sử dụng để tham số hóa miền thiết kế, trong đó mật độ phần tử là các biến thiết kế và hình phạt được bao gồm để tránh các yếu tố trong mật độ trung gian. Phương pháp đồng nhất hóa được sử dụng để tính toán các đặc tính vật liệu hiệu quả. Giới hạn thể tích tổng cộng và giới hạn trên và dưới của các biến thiết kế được áp đặt. Các ràng buộc bổ sung có thể được áp đặt lên các hệ số đàn hồi để thực thi tính đẳng hướng hoặc trực hướng của vi cấu trúc vật liệu g thu được. Phương pháp SLP được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa. Vi cấu trúc vật liệu ba chiều được trình bày dưới dạng ví dụ.
Du et al. (2000) và Lau et al. (2000) đã xem xét cấu trúc tối ưu hóa khớp nối bao gồm phân tích động lực học. Thiết bị truyền động ngăn xếp áp điện được mô hình hóa như một phần tử thanh đơn. Các chức năng mục tiêu bao gồm việc tối đa hóa hành trình đầu ra của cấu trúc, tối đa hóa hệ số phóng đại hoặc tối đa hóa hiệu suất cơ học. Phương pháp mật độ phần tử thay đổi được sử dụng, trong đó miền thiết kế cho cấu trúc được tham số hóa thành các phần tử hình vuông và độ dày của mỗi phần tử được sử dụng làm biến thiết kế. Giới hạn dưới được đặt thành một giá trị nhỏ gần bằng 0 để các phần tử đạt đến giới hạn dưới có thể được coi là vô hiệu và các phần tử còn lại xác định cấu trúc liên kết tối ưu. Phương pháp di chuyển tiệm cận (MMA) được sử dụng để giải quyết vấn đề tối ưu hóa và phương pháp này được áp dụng cho ví dụ về đầu máy in ma trận điểm.