强非线性超弹折纸结构功能化需求的拓扑优化方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11902085
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0806.材料和结构的优化设计、制造与可靠性
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Hyperelastic origami structures, having the advantages of flexibility, rigidity, and easy to undergo large geometric deformation, are suitable for flexible machine jaw structures. The design of the hyperelastic origami structure, normally involving a strong nonlinear problem, is usually achieved by empirical methods. Topology optimization method can theoretically produce the effective configuration of the hyperelastic origami structures but involving two major bottlenecks: constructing the optimization model considering the functionality requirement and the element numerical instability problem. The project will systematically develop topology optimization methods for hyperelastic origami structures with functionality requirement in presence of strong nonlinearity. The main work includes that: (1) to propose the constraints for generating and suppressing the multi-hinge and develop the rigid-flexible coupling algorithm for connecting the multi-hinge and the panel. Then the well-posed mathematical optimization formula with cooperative objective function and constraint function is constructed. Therefore, the mathematical modeling of the hyperelastic origami flexible machine claw is achieved; (2) to develop the local hybrid superelement coupling algorithm based on finite element method and meshless method when strong geometric nonlinearity is involved. The finite element iterative computational divergence problem during the continuum topology optimization is solved; (3) to put forward the structural mechanical response and sensitivity solution formats. And based on the established optimization formula, to develop a progressive and parallel robust optimization algorithm for solving the problems of high computational cost and numerical instability; (4) to carry out numerical simulations and experimental verification. The research will promote the development of the topology optimization theory. It can further provide a novel hyperelastic origami structure design method for the robot rigid-flexible coupling mechanism with high performance.
超弹折纸结构兼顾柔性、刚性和易于发生几何大变形等优点,适用于柔性机器爪结构。超弹折纸结构设计涉及强非线性问题,目前依赖于经验设计,而拓扑优化可以从理论上获得有效构型,但两者结合存在两大瓶颈问题:功能化优化建模问题和单元数值不稳定问题。本项目将系统地发展强非线性超弹折纸结构功能化需求的拓扑优化方法,包括:提出多铰链产生和抑制约束,发展多铰链和面板刚柔耦合算法,构建目标函数和约束函数协同的、适定的结构优化数学列式,实现超弹折纸柔性机器爪优化数学建模;基于有限单元和无网格法,发展局部混合超单元耦合算法,解决强几何非线性下连续体拓扑优化过程中结构有限元迭代计算发散问题;发展结构力学响应及灵敏度求解格式,构建并行计算的渐进稳健的优化求解算法,解决非线性拓扑优化计算量大和算法不稳定难题;开展数值模拟和试验验证。项目研究将丰富和发展拓扑优化理论,为高性能机器人刚柔耦合机构设计提供超弹折纸结构设计新方法。

结项摘要

超弹折纸结构兼顾柔性、刚性和易于发生几何大变形等优点,适用于柔性机械爪结构。超弹折纸结构设计涉及强非线性问题,目前依赖于经验设计,而拓扑优化可以从理论上获得有效构型,但两者结合存在两大瓶颈问题:功能化优化建模问题和单元数值不稳定问题。本项目从优化算法、数值模拟和物理试验等方面,考虑材料非线性、几何大变形、超大规模计算自由度等典型力学难题,系统地发展了强非线性超弹折纸结构功能化需求的拓扑优化方法。具体包括:提出了高效和保精度的多分辨率连续体拓扑优化方法,实现了超大规模自由度结构精细化设计;基于多分辨率分析策略和附加超弹技术,发展了新的非线性结构/柔性机构连续体拓扑优化方法,解决了计算成本高和收敛困难两大典型难题;基于三浦折纸的折痕重分配策略,发展了一类具有可剪裁多级刚度的堆叠式折纸机械超材料,并阐明了多级刚度产生的物理机制,即结构不对称刚度和自锁现象;开展了嚼折纸启发的折纸柔性机械爪非线性拓扑优化设计,获得了具有高夹持比、大夹持范围和强夹持适应能力的折纸柔性机械爪,并开展了针对性夹持实验验证研究。本项目研究成果为推动拓扑优化理论在柔性/刚柔耦合机器人领域的应用具有一定价值。

项目成果

期刊论文数量(21)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Investigation on the disturbance of the bedding information of lunar soil samples in flexible tube coring missions
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  • DOI:
    10.1016/j.actaastro.2020.01.026
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Acta Astronautica
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Zhao Gang;Wen Guilin;Liu Jie
  • 通讯作者:
    Liu Jie
Origami-based acoustic metamaterial for tunable and broadband sound attenuation
基于折纸的声学超材料,用于可调谐和宽带声音衰减
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    International Journal of Mechanical Sciences
  • 影响因子:
    7.3
  • 作者:
    Guilin Wen;Sidong Zhang;Hongxin Wang;Zhen-Pei Wang;Junfeng He;Zijie Chen;Jie Liu;Yi Min Xie
  • 通讯作者:
    Yi Min Xie
Revealing the sound insulation capacities of TPMS sandwich panels
揭示 TPMS 夹芯板的隔音能力
  • DOI:
    10.1016/j.jsv.2022.117303
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Elsevier
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Chunguan Lin;Guilin Wen;Hanfeng Yin;Zhenpei Wang;Jie Liu;Yi Min Xie
  • 通讯作者:
    Yi Min Xie
Eigenvectors-guided topology optimization to control the mode shape and suppress the vibration of the multi-material plate
特征向量引导的拓扑优化可控制模态振型并抑制多材料板的振动
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2021.114560
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Liang Xue;Guilin Wen;Hongxin Wang;Jie Liu
  • 通讯作者:
    Jie Liu
Stacked-origami mechanical metamaterial with tailored multistage stiffness
具有定制多级刚度的堆叠折纸机械超材料
  • DOI:
    10.21203/rs.3.rs-849340/v1
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Materials and Design
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Wen Guilin;Chen Gaoxi;Long Kai;Wang Xuan;Liu Jie;Xie Yi Min
  • 通讯作者:
    Xie Yi Min

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  • 作者:
    王娟;刘世梁;刘杰;崔保山;翟红娟
  • 通讯作者:
    翟红娟

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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