Compliant Topology Optimization for Planar Passive Flap Micro Valve

Abstract

This paper reports the compliant topology optimization for planar passive flap micro valve considering fluid-structure interaction with a monolithic approach. Although flap valve type check valve is easy to manufacture and use for the applications for Bio/Nano/MEMS, its structural optimization has been seldom conducted so far. The size of the Bio/Nano/MEMS devices becomes smaller and the simple straight type micro valve structure is required to be optimized considering fluid speed. To address this optimization problem, the structural topology optimization scheme which designs optimal topologies is applied for a flap type check valve structure. To consider the coupling effects of fluid domain and structural domain, the monolithic finite element approach is employed. In the new analysis approach, solid domain is simulated by introducing the inverse permeability in the Navier-Stokes equation and the fluid stress filter in the linear elasticity equation. Also it is a new idea that fluid domain is simulated by finite elements with a weak Young's modulus in the linear elasticity equation. The mutual couplings between fluid and structure are considered by the introduction of the deformation tensor which is one of the basic concepts of the continuum mechanism. By distributing material properties inside a design domain for compliant flap, optimal flap structures can be constructed with different fluid speeds. By investigating the optimal layouts of several passive flap designs, we prove that the structural topology optimization can provide optimal layouts for Bio, Nano, and MEMS applications.이 논문은 획일적 접근법과의 유체 구조 상호작용을 고려하여 평면 수동적 플랩 미세 밸브를 위한 순응성 위상기하학 최적화를 보고한다. 플랩 밸브 유형 체크 벨브가 제조하고 바이오 / 나노 / MEMS를 위한 응용을 위해 사용하도록 쉬울지라도, 그것의 최적설계는 좀처럼 지금까지 수행되었다. 바이오 / 나노 / MEMS 디바이스의 사이즈는 더 작게 되고 단순한 스트레이트 타입 미세 밸브 구조가 유체 속도를 고려하여 최적화되도록 요구된다. 이 최적화 문제를 다루기 위해, 최적 국소 해부학을 설계하는 구조 위상 최적화 계획은 플랩 유형 체크 밸브 구조를 위해 적용된다. 유동적 도메인과 구조적 도메인의 커플링 효과를 고려하기 위해, 모놀리식 유한 소자 접근법은 사용된다. 새로운 분석 접근법에서, 고체 영역은 선형 탄성 방정식에서 반대 투자율을 네비어-스토크 방정식과 유체 응력 필터에 도입함으로써 모의 실험된다. 또한 유동적 도메인이 선형 탄성 방정식에서 약한 Young's 모듈러스를 가진 유한요소에 의해 모의 실험된다는 것이 새로운 아이디어가 이다. 유체와 구조 사이의 상호 커플링은 연속체 메커니즘의 기본 개념 중 하나인 변형 텐서에 대한 소개에 의해 고찰된다. 순응성 플랩을 위한 설계 영역 안에서 물질 특성을 분배함으로써, 최적 플랩 구조는 다른 유체 속도로 구성될 수 있다. 여러 수동적 플랩 디자인의 최적 레이아웃을 연구함으로써, 구조적 위상기하학 최적화가 바이오와 나노와 MEMS 응용에게 최적 레이아웃을 제공할 수 있는 것을 우리는 입증한다.