Inverse design methods for compliant mechanisms

Abstract

The objective of this thesis is the study and development of inverse finite element methods (IFEM) for the design of compliant mechanisms. The problem consists in determining the initial shape of a mechanism such that it attains the desired design shape under the effect of service loads. This is formally known as an inverse design problem in the literature. Compliant mechanisms are a special class of mechanisms that gain some of its motion by elastic deformation in one or more members, rather than from rigid-body translations and/or rotations of classical rigid-body mechanisms. Mechanisms synthesis deals with the design of a suitable mechanism for a specified task or performance, and it begins with a prescribed task that must be achieved by using a yet unknown sized or shaped mechanism. It became evident that IFEM could make important contributions in the field of complaint mechanism design, in particular as a re-design tool, since IFEM solutions have shown better convergence than the direct methods from which they derive. It also avoids the trial and error approach used many times in the design process. This is novel methodology in the field of compliant mechanisms. There is no background of inverse methods among the procedures used to design compliant system since it departs from classical design methods used up-to-date, being so far the only design method that does not rely on the use of optimization techniques.

El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de metodos de elementos finitos inversos (IFEM) para el diseño de mecanismos flexibles. Se pretende determinar la forma inicial de un mecanismo tal que este adquiera la forma de diseño especificada cuando esta sujeto a las cargas de servicio. La denominación formal de estos problemas en la literatura es problemas de diseño inverso. Los mecanismos flexibles son una clase especial de mecanismos que adquieren parte de su movimiento por la deformación elástica de alguno de sus miembros, a diferencia de los mecanismos rígidos cuyos miembros no se deforman durante el movimiento. La síntesis de mecanismos consiste en diseñar un mecanismo adecuado para una tarea especificada por diseño, y comienza con un requerimiento que debe ser satisfecho mediante un mecanismo cuya forma y tamaño son incógnitas del problema. Se hizo evidente entonces que IFEM podría aportar contribuciones importantes al diseño de mecanismos flexibles, en particular como herramienta de re-diseño. Los modelos inversos siempre demostraron mejor convergencia que los modelos directos de los cuales fueron derivados. Es una metodología original y novedosa en la disciplina de los mecanismos flexibles ya que no hay antecedentes en la bibliografía sobre el uso de IFEM para diseñarlos. Se aparta de los métodos clásicos utilizados hasta la fecha, y es independiente de las técnicas de optimización para obtener un diseño final. Además, permite evitar el uso de la prueba y error empleado muchas veces en todo proceso de diseño.