Методика многокритериальной оптимизации бистабильного механизма на основе исследования пространства параметров

Изложена методика численного моделирования и многокритериальной оптимизации бистабильных механизмов, способных фиксировать два устойчивых состояния без постоянного подвода энергии. В качестве объекта исследования рассмотрен четырехзвенный механизм, построенный с использованием гибких стержней. Описана численная процедура построения нелинейной характеристики механизма усилие — перемещение и алгоритм выбора рациональных параметров конструкции на основе многокритериальной оптимизации конструкции в пространстве параметров проектирования. Численное моделирование выполнено в среде конечно-элементного программного комплекса ANSYS с использованием балочных элементов. Приведены результаты верификация механизма на экспериментальной модели, изготовленной методом 3D-печати из ABS-пластика. Выполнен анализ бокового смещения и его влияния на фиксацию механизма во втором устойчивом состоянии. Для нахождения рациональных параметров проектирования использован метод исследования пространства параметров с генерацией пробных точек согласно ЛП?-последовательности. Приведен пример формирования области допустимых решений с последующим выделением парето-оптимальных вариантов конструкций по критериям наличия двух устойчивых состояний и требуемого диапазона усилий.
EDN: ANWAKH, https://elibrary/anwakh

Литература

[1] Chen G., Ma F. Kinetostatic modeling of fully compliant bistable mechanisms using Timoshenko beam constraint model. J. Mech. Des., 2015, vol. 137, no. 2, art. 022301, doi: https://doi.org/10.1115/1.4029024

[2] Chen G., Gou Y., Zhang A. Synthesis of compliant multistable mechanisms through use of a single bistable mechanism. J. Mech. Des., 2011, vol. 133, no. 8, art. 081007, doi: https://doi.org/10.1115/1.4004543

[3] Follador M., Conn A.T., Mazzolai B. et al. Active-elastic bistable minimum energy structures. Appl. Phys. Lett., 2014, vol. 105, no. 14, art. 141903, doi: https://doi.org/10.1063/1.4898142

[4] Knott G., Viquerat A. Curved bistable composite slit tubes with positive gaussian curvature. AIAA J., 2018, vol. 56, no. 4, pp. 1679–1688, doi: https://doi.org/10.2514/1.J056411

[5] Emam S.A., Inman D.J. Review on bistable composite laminates for morphing and energy harvesting. Appl. Mech. Rev., 2015, vol. 67, no. 6, art. 060803, doi: https://doi.org/10.1115/1.4032037

[6] Zhang H., Zhao J., Sun J. Compliant bistable gripper for aerial perching and grasping. Патент US 10787259. Заявл. 08.11.2019, опубл. 29.09.2020.

[7] Tran N.D.K., Le N.T., Dao X.M. et al. Design and simulation of the microgripper capable of vibratory release. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2406, art. 020012, doi: https://doi.org/10.1063/5.0066462

[8] Rothemund P., Ainla A., Beardsley L. et al. Soft, bistable valve for autonomous control of soft actuators. Sci. Robot., 2018, vol. 3, no. 16, doi: https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar7986

[9] Qi Q., Xiang C.Q., Ho V.A., Rossiter J.M. A sea-anemone-inspired, multifunctional, bistable gripper. Soft Robot., 2022, vol. 9, no. 6, pp. 1040–1051, doi: https://doi.org/10.1089/soro.2020.0176

[10] Jagtap S.P., Deshmukh B.B., Pardeshi S. Applications of compliant mechanism in today’s world — a review. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1969, art. 012013, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1969/1/012013

[11] Barri K., Haughn K.P.T., Henry T.C. et al. Rotational bistable mechanisms for morphing wings and beyond. Commun. Eng., 2025, vol. 4, art. 164, doi: https://doi.org/10.1038/s44172-025-00495-2

[12] Luharuka R., Hesketh P.J. A bistable electromagnetically actuated rotary gate microvalve. J. Micromech. Microeng., 2008, vol. 18, no. 3, art. 035015, doi: https://doi.org/10.1088/0960-1317/18/3/035015

[13] Srivastava M., Gunna T., Kandiyapedi M.K. et al. Design of an engaging-disengaging compliant mechanism by using bistable arches. In: Recent advances in machines, mechanisms, materials and design. Springer, 2024, pp. 193–203, doi: https://doi.org/10.1007/978-981-97-5423-6_14

[14] Zirbel S.A., Tolman K.A., Trease B.P. et al. Bistable mechanisms for space applications. PloS ONE, 2016, vol. 11, no. 12, art. e0168218, doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0168218

[15] Warner Electric. Warner New Bi Stable Brake. Newsroom, 2020. March 2. URL: https://www.engineernewsnetwork.com/blog/bi-stable-brake (дата обращения: 10.04.2026)

[16] Koenig K.S., Garcia Kilroy P.E. Robotic arms. Патент AU 2017326462. Заявл. 15.09.2017, опубл. 07.03.2019.

[17] Smith C.L. Modeling and parameter study of bistable spherical compliant mechanisms. Master thesis. University of South Florida, 2011. 61 p.

[18] Dews J., Hong Zh. Analysis and synthesis of bistable compliant mechanisms using precompressed beams. IJERT, 2016, vol. 5, no. 7, pp. 325–330.

[19] Dung-An W., Jyun-Hua Ch., Huy-Tuan Ph. A tristable compliant micromechanism with two serially connected bistable mechanisms. Mech. Mach. Theory, 2014, vol. 71, pp. 27–39, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2013.08.018

[20] Подкопаев С.А., Гаврюшин С.С. Численное моделирование нелинейного деформирования промышленных мембран. Инженерный журнал: наука и инновации, 2025, № 1. URL: https://engjournal.bmstu.ru/catalog/mech/tmmd/2413.html

[21] Podkopaev S.A., Gavriushin S.S., Podkopaeva T.B. Methods for studying the post-buckling behavior of axisymmetric membrane. In: Advances in intelligent systems and computing. Springer, 2020, pp. 3–15, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-39216-1_1

[22] Гаврюшин С.С., Николаева А.С. Метод смены подпространства управляющих параметров и его применение к задачам синтеза нелинейно деформируемых осесимметричных тонкостенных конструкций. Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, 2016, № 3, с. 120–130.

[23] Wook-Bae K., Sol-Yi H. Microinjection molding of out-of-plane bistable mechanisms. Micromachines, 2020, vol. 11, no. 2, art. 155, doi: https://doi.org/10.3390/mi11020155

[24] Fulei M., Chen G. Modeling large planar deflections of flexible beams in compliant mechanisms using chained beam-constraint-model. J. Mech. Robot., 2016, vol. 8, no. 2, art. 021018, doi: https://doi.org/10.1115/1.4031028

[25] Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. Москва, Дрофа, 2006. 175 с.