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田家伟;李曼奇;韩忠浩;陈勇;顾，先锋大卫;葛庆杰。;陈世奎

基于扩展水平集方法的多材料铁磁软有源结构保角拓扑优化。 （英语） Zbl 1507.74332号

计算。方法应用。机械。工程师。 389，文章ID 114394，32 p.（2022）.
摘要：在软聚合物基体中嵌入铁磁颗粒的铁磁软活性结构可以产生灵活的运动，并在外加磁场下远程、快速、生物友好地改变构型。为了实现所需的运动，可以通过调整铁磁性软聚合物的布局来设计这些软活性结构。虽然已经设计和制造了许多磁性软有源结构，但它们受到开发人员直觉和经验的限制。结构拓扑优化已经成为通过优化材料布局来实现创新结构的一种有希望的方法，为设计铁磁驱动的有源结构开辟了一条新的途径。鉴于软机器人广泛采用薄壳结构，采用扩展水平集方法（X-LSM）和共形几何理论对流形上的铁磁软主动结构进行拓扑优化。通过求解经保角因子加权的修正Hamilton-Jacobi方程，可以将自由曲面上的边界演化转化为二维矩形平面。本文首次在X-LSM框架内实现了协调水平集（RLS）方法，以实现自由曲面上多材料铁磁软有源结构的设计。设计目标包括用于满足运动要求的子目标函数和用于满足最小柔度要求的子对象函数。采用材料时间导数和伴随变量法分析了形状敏感性。将该方法应用于几种单材料和多材料铁磁软主动结构的设计。使用功能性3D打印技术或所谓的4D打印技术打印了两个拓扑优化设计，以物理方式实现具有内置功能的软激活结构。数值验证和实验验证的结果证明了所提出的设计和制造框架的有效性。

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第74页第15页 固体力学优化问题的拓扑方法

关键词：

多材料共形拓扑优化;软活动结构;扩展水平集方法;共形几何理论;依赖设计的拓扑优化;功能性3D打印
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\textit{J.Tian}等人，计算。方法应用。机械。工程389，文章ID 114394，32 p.（2022；Zbl 1507.74332）
全文： 内政部

参考文献：

[1] 韦纳，M。；Truby，R.L。；菲茨杰拉德·D·J。；Mosadegh，B。；怀特赛德斯，G.M。；刘易斯，J.A。；Wood，R.J.，《全软自主机器人的集成设计和制造策略》，《自然》，536，7617，451（2016）
[2] Kim，S。；拉奇，C。；Trimmer，B.，《软机器人：机器人的生物启发进化》，《生物技术趋势》。，31, 5, 287-294 (2013)
[3] Zarek，M。；Layani，M。；库珀斯坦，I。；Sachyani，E。；科恩，D。；Magdassi，S.，《柔性电子器件形状记忆聚合物的3D打印》，高级材料。，28, 22, 4449-4454 (2016)
[4] Fan，J.A。；Yeo，W.-H。；苏，Y。；服部，Y。；Lee，W。；Jung，S.-Y。；Zhang，Y。；刘，Z。；Cheng，H。；Falgout，L.，《可拉伸电子产品的分形设计概念》，《自然通讯》。，5, 3266 (2014)
[5] X.赵。；Kim，J。；Cezar，C.A。；Huebsch，N。；Lee，K。；Bouhadir，K。；Mooney，D.J.，按需药物和细胞递送的活性支架，Proc。国家。阿卡德。科学。，108，167-72（2011年）
[6] Cianchetti，M。；拉奇，C。；Menciassi，A。；Dario，P.，《软机器人的生物医学应用》，Nat.Rev.Mater。，1 (2018)
[7] Asaka，K.公司。；Okuzaki，H.，《软致动器：材料、建模、应用和未来展望》（2014），施普林格出版社
[8] Kim，Y。；Yuk，H。；赵，R。；切斯特，S.A。；Zhao，X.，《为未结快速转变软材料打印铁磁畴》，《自然》，5587709274（2018）
[9] 张，W。；艾哈迈德，S。；硕士，S。；Ounaies，Z。；Frecker，M.，基于电活性聚合物和磁活性弹性体的折纸折叠驱动有限元分析，（ASME 2016年智能材料、自适应结构和智能系统会议（2016），美国机械工程师学会），V001T01A001
[10] Brunet，T。；梅林，A。；B.马斯卡罗。；Zimny，K。；Leng，J。；Poncelet，O。；Aristégui，C。；Mondain-Monval，O.，负指数软3D声学超材料，自然材料。，14, 4, 384 (2015)
[11] Grier，D.G.，《光学操作的革命》，《自然》，424，6950，810（2003）
[12] 彼得曼，E.J。；吉特，F。；施密特，C.F.，光阱中的激光诱导加热，生物物理。J.，84，2，1308-1316（2003）
[13] Erb，R.M。；马丁·J·J。；Soheilian，R。；潘，C。；Barber，J.R.，《用磁力驱动软物质》，《高级功能》。材料。，26, 22, 3859-3880 (2016)
[14] 格拉尔，T。；Märkl，H.，《脉冲电场杀死微生物》，应用。微生物。生物技术。，45, 1-2, 148-157 (1996)
[15] Ranzoni，A。；詹森，X.J。；Ovsyanko，M。；van IJzendooron，L.J。；Prins，M.W.，用于芯片实验室应用的单轴微执行器的磁控旋转和转矩，实验室芯片，10，2，179-188（2010）
[16] Erb，R.M。；新泽西州詹尼斯。；克拉克·R·L。；Yellen，B.B.，在光磁性陷阱中对Janus粒子进行完整控制，高级材料。，21, 47, 4825-4829 (2009)
[17] 徐，T。；张杰。；Salehizadeh，M。；O.奥奈扎。；Diller，E.，具有可编程三维磁化和运动的毫米级柔性机器人，科学机器人，4，29，eaav4494（2019）
[18] Wu，S。；Ze，Q。；张，R。；胡，N。；Cheng，Y。；杨，F。；Zhao，R.，用于软机器人和活性超材料的对称破缺驱动机构，ACS应用。马特。接口，11，44，41649-41658（2019）
[19] 赵，R。；Kim，Y。；切斯特，S.A。；Sharma，P。；赵欣，《硬磁软材料力学》，J.Mech。物理学。固体，124244-263（2019）
[20] Wang，L。；Kim，Y。；郭，C.F。；Zhao，X.，《硬磁弹性》，J.Mech。物理学。固体，第104045条pp.（2020）
[21] Lum，G.Z。；Ye，Z。；Dong，X。；马维，H。；O.埃林。；胡，W。；Sitti，M.，《形状可编程磁性软物质》，Proc。国家。阿卡德。科学。，113、41、E6007-E6015（2016）
[22] Diller，E。；庄，J。；Zhan Lum，G。；爱德华兹，M.R。；Sitti，M.，毫米级弹性体波动游泳的连续分布磁化剖面，应用。物理学。莱特。，104、17、第174101条pp.（2014）
[23] 张，C。；李，X。；江，L。；唐·D。；韩，X。；赵，P。；Fu，J。；周，Q。；Chen，Y.，《功能磁性材料的3D打印：从设计到应用》《高级功能材料》（Advanced functional materials，Vol.5（2021），威利在线图书馆），V010T10A012
[24] Ye，Q。；郭毅。；陈，S。；Lei，N。；Gu，X.D.，使用扩展水平集方法（X-LSM）和共形几何理论的流形上共形结构的拓扑优化，计算。方法应用。机械。工程，344164-185（2019）·Zbl 1440.74326号
[25] Ko，H.C。；斯托伊科维奇，M.P。；宋，J。；Malyarchuk，V。；Choi，W.M。；Yu，C.-J。；Geddes Iii，J.B。；肖，J。；王，S。；Huang，Y.，基于可压缩硅光电子技术的半球形电子眼相机，《自然》，4547205748（2008）
[26] Ko，H.C。；Shin，G。；王，S。；斯托科维奇，M.P。；Lee，J.W。；金·D·H。；Ha，J.S。；黄，Y。；Hwang，K.-C。；Rogers，J.A.，《使用硅膜电路和弹性传输元件形成的曲线电子学》，Small，5，23，2703-2709（2009）
[27] 朱俊华。；张，W.-H。；Xia，L.，飞机和航天结构设计中的拓扑优化，Arch。计算。方法工程，23，4，595-622（2016）·Zbl 1360.74128号
[28] 田建伟。；Bu，K。；宋，J.-h。；田，G.-l。；邱，F。；赵，D.-q。；金，Z.-l。；李毅，优化熔模铸造工艺参数以减少DD6合金涡轮叶片平台翘曲，中国铸造，14，6，469-477（2017）
[29] 江，R.-s。；张，D.-h。；Bu，K。；Wang，W.-h。；田俊伟，涡轮叶片蜡模变形补偿方法，国际先进制造技术。，88, 9-12, 3195-3203 (2017)
[30] 陈，F。；Wang，M.Y.，《软机器人的设计优化：最新技术综述》，IEEE Robot。自动化。Mag.（2020年）
[31] 本德瑟，M。；Sigmund，O.，《理论、方法和应用》（拓扑优化（2003），施普林格出版社：施普林格-柏林）·Zbl 1059.74001号
[32] 西格蒙德，O。；Maute，K.，拓扑优化方法，结构。多学科。最佳。，48, 6, 1031-1055 (2013)
[33] van Dijk，N.P。；Maute，K。；兰格拉尔，M。；Van Keulen，F.，结构拓扑优化的水平集方法：综述，结构。多学科。最佳。，48, 3, 437-472 (2013)
[34] Xu，X。；Wu，Y。；左，L。；Chen，S.，多材料热电结构的拓扑优化，J.Mech。设计。，143011705（2021）
[35] Xu，X。；Wu，Y。；左，L。；Chen，S.，热电发电机的多材料拓扑优化，（国际设计工程技术会议和计算机与信息工程会议（2019），美国机械工程师学会），V02AT03A064
[36] Behrou，R。；洛菲，R。；卡斯滕森，J.V。；法拉利，F。；Guest，J.K.，通过Heaviside投影重新引入基于密度的结构拓扑优化中的单元移除，计算。方法应用。机械。工程，380，第113799条pp.（2021）·Zbl 1506.74264号
[37] Wu，K。；西格蒙德，O。；Du，J.，使用稳健拓扑优化和变量链接方案设计超材料机构，结构。多学科。最佳。，63, 4, 1975-1988 (2021)
[38] 盖斯，M.J。；Boddeti，N。；O.威格。；Maute，K。；Dunn，M.L.，《承受大变形的四维印刷结构的组合水平-set-XFEM密度拓扑优化》，J.Mech。设计。，141，5，第051405条pp.（2019）
[39] 陈，F。；徐伟（Xu，W.）。；张，H。；王，Y。；曹，J。；Wang，M.Y。；Ren，H。；朱，J。；Zhang，Y.，软电缆驱动夹持器IEEE Robot的拓扑优化设计、制造和表征。自动化。莱特。，3, 3, 2463-2470 (2018)
[40] Furuta，K。；Izui，K。；Yaji，K。；山田，T。；Nishiwaki，S.，用于设计珀尔贴效应热电致动器的基于水平集的拓扑优化，Struct。多学科。最佳。，55, 5, 1671-1683 (2017)
[41] Wang，M.Y。；陈，S。；王，X。；Mei，Y.，使用水平设置方法设计多材料柔顺机构，J.Mech。设计。，127, 5, 941-956 (2005)
[42] 公园，S.-i。；Min，S.，使用基于水平集的拓扑优化设计非线性铁磁材料的磁执行器，IEEE Trans。马格纳。，46, 2, 618-621 (2010)
[43] 公园，S.-i。；最小值，S。；山崎，S。；西瓦基，S。；Yoo，J.，使用基于水平集的拓扑优化的磁性致动器设计，IEEE Trans。马格纳。，44, 11, 4037-4040 (2008)
[44] Ryu，N。；Lim，S。；最小值，S。；Izui，K。；Nishiwaki，S.，使用自适应权重确定方案对磁执行器设计进行多目标优化，IEEE Trans。马格纳。，53, 6, 1-4 (2017)
[45] 南卡罗来纳州帕克市。；Min，S.，使用基于水平集的拓扑优化实现最大力的磁力致动器设计，IEEE Trans。马格纳。，45, 5, 2336-2339 (2009)
[46] 李毅。；刘，L。；Yang，S。；任，Z。；Ma，Y.，《多目标拓扑优化方法及其在电磁致动器设计中的应用》，IEEE Trans。马格纳。，56, 2, 1-4 (2020)
[47] 刘，P。；Shi，L。；Kang，Z.，考虑材料界面应力约束的多材料结构拓扑优化，计算。方法应用。机械。工程，363，第112887条pp.（2020）·Zbl 1436.74059号
[48] 郭，X。；张，W。；Zhong，W.，涉及多相材料的连续体结构的应力相关拓扑优化，计算。方法应用。机械。工程，268632-655（2014）·Zbl 1295.74081号
[49] Kazemi，H。；瓦齐里，A。；Norato，J.A.，《使用几何投影对晶格结构进行多材料拓扑优化》，计算。方法应用。机械。工程，363，第112895条pp.（2020）·Zbl 1436.74058号
[50] Wang，M.Y。；Wang，X.，“颜色”水平集：多材料结构拓扑优化的多阶段方法，计算。方法应用。机械。工程，193，6-8，469-496（2004）·Zbl 1060.74585号
[51] 张，H。；Kumar，A.S。；陈，F。；Fuh，J.Y。；Wang，M.Y.，用于夹持器、康复和假手的拓扑优化多材料软手指，IEEE/ASME Trans。机电一体化，24，1，120-131（2018）
[52] 张，H。；Kumar，A.S。；Fuh，J.Y.H。；Wang，M.Y.，开发拓扑优化和3D可打印多材料软夹钳的研究，（2018 IEEE第十四届控制与自动化国际会议（ICCA）（2018），IEEE），692-697
[53] 希勒，J。；Lipson，H.，《软机器人的自动设计和制造》，IEEE Trans。机器人。，28, 2, 457-466 (2011)
[54] Sundaram，S。；斯科拉斯，M。；Kim，D.S。；van den Heuvel，L。；Matusik，W.，多材料磁性致动器和显示器的拓扑优化和3D打印，科学。高级，5，7，eaaw1160（2019）
[55] 田，J。；X.赵。；顾晓东。；Chen，S.，用基于水平集的多物理拓扑优化设计铁磁软机器人（FerroSoRo），（2020 IEEE国际机器人与自动化会议（ICRA）（2020），IEEE），10067-10074
[56] 田，J。；X.赵。；顾晓东。；Chen，S.，使用扩展水平集方法（X-LSM）设计共形铁磁软致动器，（国际设计工程技术会议和工程会议中的计算机和信息，第83990卷（2020年），美国机械工程师学会），V010T10A012
[57] 吉亚西，H。；Fayazbakhsh，K。；帕西尼，D。；Lessard，L.，复合材料的最佳堆叠顺序设计，第二部分：变刚度设计，复合。结构。，93，1，1-13（2010年）
[58] Boddeti，N。；Tang，Y。；Maute，K。；Rosen，D.W。；Dunn，M.L.，变刚度层压连续纤维增强复合材料的优化设计与制造，科学。代表，10，1，1-15（2020年）
[59] 田，Y。；Pu，S。；Shi，T。；Xia，Q.，一种用于优化曲线纤维复合材料结构的无参数发散向量场方法，计算。方法应用。机械。工程，373，第113574条pp.（2021）·Zbl 1506.74251号
[60] 迪顿，J.D。；Grandhi，R.V.，《结构和多学科连续体拓扑优化调查：2000年后》，《结构》。多学科。最佳。，49, 1, 1-38 (2014)
[61] Allaire，G。；Jouve，F。；Toader，A.-M.，《使用灵敏度分析和水平集方法进行结构优化》，J.Compute。物理。，194, 1, 363-393 (2004) ·Zbl 1136.74368号
[62] 陈，F。；王，Y。；Wang，M.Y。；Zhang，Y.，使用水平集方法进行超弹性结构拓扑优化，J.Compute。物理。，351, 437-454 (2017)
[63] 顾，X。；王，Y。；Chan，T.F。；汤普森，P.M。；Yau，S.-T.，Genus零表面保角映射及其在脑表面映射中的应用，IEEE Trans。医学成像，23,8949-958（2004）
[64] Lui，L.M。；顾，X。；Chan，T.F。；Yau，S.-T.，使用保角参数化的黎曼曲面变分方法及其在图像处理中的应用，方法应用。分析。，15, 4, 513-538 (2008) ·Zbl 1185.68807号
[65] Choi，G.P。；陈，Y。；Lui，L.M。；Chiu，B.，从三维超声图像测量的颈动脉血管壁和斑块厚度的保形映射，医学生物学。工程计算。，55, 12, 2183-2195 (2017)
[66] 顾德欣。；曾伟。；Lui，L.M。；罗，F。；姚世通，计算共形几何的最新发展，（第五届中国数学家国际会议，第1卷（2012）），515-560·Zbl 1247.53017号
[67] 陈，S。；Gonella，S。；Chen，W。；Liu，W.K.，智能能量采集器优化设计的水平集方法，计算。方法应用。机械。工程师，199，37-40，2532-2543（2010）·Zbl 1231.74358号
[68] Vogiatzis，P。；陈，S。；王，X。；李·T。；Wang，L.，使用协调水平集方法对多材料负泊松比超材料进行拓扑优化，计算。辅助设计。，83, 15-32 (2017)
[69] 江，L。；顾，X。；Chen，S.，通过并行多尺度拓扑优化和共形几何方法进行仿生结构的生成性设计，J.Mech。设计。，1-29 (2020)
[70] 王，C。；Qian，X.，设计相关边界荷载下拓扑优化的密度梯度方法，计算。物理。，411，第109398条pp.（2020）·Zbl 1436.65076号
[71] Neofytou，A。；皮切利，R。；黄，T.-H。；Chen，J.-S。；Kim，H.A.，使用再生核粒子方法对设计相关压力载荷进行水平集拓扑优化，Struct。多学科。最佳。，61, 5, 1805-1820 (2020)
[72] Zegard，T。；Paulino，G.H.，桥接拓扑优化和附加制造，结构。多学科。最佳。，53, 1, 175-192 (2016)
[73] 刘凯。；Tovar，A.，用Matlab编写的高效三维拓扑优化代码，Struct。多学科。最佳。，50, 6, 1175-1196 (2014)
[74] Vogiatzis，P。；陈，S。；Zhou，C.，集成增材制造和基于级别的拓扑优化的开源框架，J.Compute。信息科学。工程，17，4（2017）
[75] Vogiatzis，P。；马，M。；陈，S。；Gu，X.D.，通过使用共形映射合成拓扑优化来进行周期共形亚曲面的计算设计和添加制造，计算。方法应用。机械。工程，328，477-497（2018）·Zbl 1439.74298号
[76] Saxena，P.，《电磁声换能器的一般控制方程》，Arch。机械。工程师，60，2，231-246（2013）
[77] Bertotti，G.，《磁滞现象：物理学家、材料科学家和工程师》（1998），海湾专业出版社
[78] Jung，T。；Lee，J。；Lee，J.，使用多材料拓扑优化设计和制造磁性系统，IEEE Access，98649-8658（2021）
[79] 田，J。；顾晓东。；Chen，S.，使用协调水平集方法进行铁磁软机器人的多材料拓扑优化，（国际设计工程技术会议和工程会议中的计算机和信息（2021），美国机械工程师学会），V08BT08A014
[80] 刘杰。；盖诺，A.T。；陈，S。；康，Z。；苏雷什，K。；竹泽，A。；李，L。；加藤，J。；Tang，J。；Wang，C.C.，增材制造拓扑优化的当前和未来趋势，结构。多学科。最佳。，57, 6, 2457-2483 (2018)
[81] 梅里曼，B。；Bence，J.K。；Osher，S.J.，《多连接运动：水平集方法》，J.Compute。物理。，112, 2, 334-363 (1994) ·Zbl 0805.65090号
[82] 张，X。；Chen，J.-S。；Osher，S.，《模拟多晶材料晶界演变的多水平集方法》，Interact。多尺度机械。，1, 2, 178-191 (2008)
[83] Ye，Q。；郭毅。；陈，S。；顾晓东。；Lei，N.，利用扩展水平集方法和共形几何理论对共形结构进行拓扑优化，（ASME 2018国际设计工程技术会议和工程中的计算机和信息会议（2018），美国机械工程师学会数字收藏）
[84] 顾晓东。；Yau，S.-T.，《计算共形几何》（2008），国际出版社：马萨诸塞州萨默维尔国际出版社·Zbl 1144.65008号
[85] Allaire，G。；Jouve，F.，用均匀化方法优化微机械设计，《欧洲评论》。，11，2-4405-416（2002年）·Zbl 1120.74710号
[86] Sigmund，O.，《利用拓扑优化设计柔顺机构》，J.Struct。机械。，25, 4, 493-524 (1997)
[87] Choi，K.K。；Kim，N.-H.，结构灵敏度分析与优化1:线性系统（2006），施普林格科学与商业媒体
[88] Wang，M.Y。；王，X。；郭，D.，结构拓扑优化的水平集方法，计算。方法应用。机械。工程，192，1-2，227-246（2003）·Zbl 1083.74573号
[89] Xu，X。；陈，S。；顾，X.D。；Wang，M.Y.，使用扩展水平集方法（x-lsm）对歧管上热传导问题进行共形拓扑优化，（ASME 2021国际设计工程技术会议和工程会议中的计算机和信息（2021），美国机械工程师学会数字收藏）
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