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基于双向渐进结构优化法的组件化薄板压电材料拓扑优化设计

拓扑优化；渐进结构优化法；薄板型压电材料

结构优化与结构行为分析 > 结构优化与拓扑优化

双向渐进结构优化法（简称BESO方法）是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法。其原理是通过同时删除和增补单元，使剩下的结构逐渐趋于优化，具有算法简单、与有限元分析程序连接容易等优点，在结构拓扑优化中的应用越来越广。压电材料具有高机电转换特性、高灵敏度、稳定性强等优点，压电材料广泛的应用于压电滤波器、俘能器、驱动器和传感器等电子器件中。基于目前MEMS系统中压电材料制造工艺的精度，本文将压电材料组件化，以压电驱动器输出点位移或转换效率最大化为目标，结合BESO方法，得到压电驱动器的最佳构型。根据压电材料尺寸和施加电势面的差异，进一步推导了不同尺寸和电势面条件下薄板型压电材料的等效本构模型。以输出位移最大化为目标，推导了敏度公式，并采用偏置敏度信息的方法解决敏度符号不一致的问题，实现对每次迭代的单元删减控制，获得稳定的拓扑构型。数值结果证明所提出模型和方法的正确性。