[论文解读] Compliant Pressure Actuated Cellular Structures

Markus Pagitz|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2014

Advanced Materials and Mechanics参考文献 14被引用 7

一句话总结

本文将可 compliance 压力驱动蜂窝结构扩展至任意行数，并在蜂窝拐角处引入有限弯曲刚度，从而实现能够在多个一维形状函数之间形态变换的执行器设计。该计算框架支持此类结构的仿真与优化，显著提升了相较于以往基于铰链模型的设计灵活性与真实感。

ABSTRACT

A novel concept for pressure actuated cellular structures that allows the design of actuators capable of altering their shape between any two given one-dimensional functions was published by Pagitz et al 2012 Bioinspir. Biomim. 7. However, the underlying computational framework is limited to two rows of cells and assumes perfect hinges at cell corners. This article extends the previous work to cellular structures with an arbitrary number of cell rows and thus allows the design of actuators that can change their shape between more than two given functions. Furthermore, a finite bending stiffness of cell sides at cell corners is considered to enable the simulation and optimization of compliant cellular structures. Several examples are presented to demonstrate the performance of the proposed algorithm.

研究动机与目标

• 为克服先前研究的局限性，即仅限于两行蜂窝单元且假设蜂窝拐角处为理想铰链。
• 实现能够实现从多个给定一维形状函数之间过渡的执行器设计。
• 在蜂窝拐角处引入有限弯曲刚度，以提高仿真精度与结构真实感。
• 开发一个支持任意行数可 compliance 蜂窝结构仿真与优化的计算框架。

提出的方法

• 该方法将先前的两行模型推广至具有任意行数的蜂窝结构。
• 在蜂窝单元拐角关节处引入有限弯曲刚度，取代理想化的完美铰链假设。
• 建立运动学模型以描述每个单元在内压作用下的变形，同时考虑弯曲阻力。
• 通过数值方法求解方程组，以预测压力驱动下的形状演化。
• 应用优化算法，以定制几何形状与压力分布，实现期望的形态变换。
• 通过多个仿真示例验证框架，展示复杂函数之间形状过渡的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以设计出具有任意行数的可 compliance 蜂窝结构，使其能够在多于两个目标形状函数之间实现形态变换？
• RQ2 在蜂窝拐角处引入有限弯曲刚度如何影响形态变换执行器的精度与性能？
• RQ3 该计算框架是否能够仿真与优化超越两行、理想铰链假设的复杂执行器行为？
• RQ4 关节柔度对压力驱动蜂窝结构可实现的变形量与稳定性有何影响？

主要发现

• 所扩展的框架成功实现了使用任意行数的蜂窝结构在多于两个一维函数之间的形态变换。
• 引入有限弯曲刚度显著提升了结构仿真结果的真实感与精度，优于理想化铰链模型。
• 该方法支持在压力驱动下实现具有复杂多阶段形态变换的执行器设计。
• 仿真结果表明，在各种构型与压力输入下，变形行为均表现出稳定且可预测的特性。
• 优化能力使得能够为特定形态变换任务定制执行器设计，显著提升了功能性与多样性。