满意度动态加权法在自卸车车架拓扑优化中的应用

为了使自卸车车架在满足使用性能的条件下达到轻量化的要求,将拓扑优化方法引入车架的结构设计过程中。以车架多工况权重刚度最大化为优化目标,以设计区域的体积分数为约束,以设计区域的材料密度为设计变量, 建立了自卸车车架结构多刚度拓扑优化模型;在采用动态加权方法将多刚度这一多目标优化问题转化为单一目标优化的过程中,基于决策论中满意度理论提出了多工况权重比的计算方法。该方法使权重比的设定随每个单目标函数在每次迭代后的变化而自动调整,可避免传统方法中由于设计者主观因素造成的权重比偏差。仿真分析表明,车架性能满足工作要求,验证了车架设计的合理性。     

基于可靠性的结构动态拓扑优化方法

实际工程结构设计往往在确定性范畴内进行,所得结构存在较大失效可能性.基于此,提出一种基于可靠性的连续体动态拓扑优化方法,将结构可靠性分析方法嵌套到连续体拓扑优化中.考虑了结构几何尺寸和材料体积的不确定性,并用高斯分布来度量.将结构可靠度作为约束嵌套到连续体拓扑优化中,属于二次嵌套优化问题,但计算效率低下,不适于工程应用.提出一种解耦策略将结构可靠性分析从连续体拓扑优化中解耦出来,使结构可靠性分析与动态拓扑优化为两个独立的优化循环,大大提高了计算效率.建立以结构基频最大为优化目标,满足一定体积约束和可靠度要求的优化问题,利用各向同性材料惩罚模型(SIMP)和移动渐进方法(MMA)求解该优化问题.所提方法可以得到满足不同可靠度要求的一系列最优结构,并用标准算例验证其有效性.     

塔式起重机臂架周期性拓扑优化设计

为实现塔式起重机臂架桁架结构腹杆的布局优化,提出了基于连续体拓扑优化的桁架结构优化设计方法.首先去除起重臂腹杆,用腹板代替,同时为克服臂架细长难以进行拓扑优化的特点,将起重臂划分为若干个优化周期,建立臂架的周期性板梁优化模型;然后使用周期性SKO(soft kill option)方法对腹板进行连续体拓扑优化,优化中使用温度过滤函数消除棋盘格式现象,得到优化的腹板拓扑构型;最后使用有限单元8-邻域网格模型骨架提取算法得到腹板拓扑的中心骨架进而得到优化的腹杆布局.选取QTZ63塔式起重机最大幅度、最大起重量和最大应力3种典型工况作为优化工况,并考虑起升动载荷、风载荷及惯性载荷进行优化设计.基于3种典型工况,从强度、刚度、稳定性方面对原臂架和优化臂架进行了对比分析,验证了优化方法的有效性.     

纯电动汽车白车身拓扑优化设计及性能验证

基于变密度结构拓扑优化方法,以柔度最小化为目标建立了汽车白车身拓扑优化数学模型。对其白车身结构在静载荷、弯曲载荷,以及扭转载荷工况下分别进行拓扑优化设计,得到相应的最优拓扑结构。通过建立基于优化结果的白车身线框模型对其弯曲和扭转刚度进行验证。数值算例结果证明,拓扑优化方法能够得到具有工程实用价值的纯电动汽车白车身最优结构,在满足车身结构刚度要求的同时实现车身轻量化。     

多工况应力约束下连续体结构拓扑优化映射变换解法

针对多工况连续体结构拓扑优化常见模型中存在的目标函数非连续性 ,基于独立连续拓扑变量概念及映射变换方法 ,建立了多工况应力约束下连续体结构拓扑优化新的连续模型 .考虑多工况结构拓扑优化中“荷载病态”现象 ,提出应用荷载加权系数的单元删除准则及分层优化算法求解 .算例验证了本文方法的正确性和高效性     

客车车架的结构优化设计

文章以有限元结构分析和优化算法相结合为手段,以某型大客车车架为例,根据对车架的静态强度、刚度和模态特性的分析结果,对车架局部进行了改进设计和中段纵梁的截面尺寸的设计优化,建立了中段纵梁的力学模型、优化参数模型及有限元模型,采用ANSYS参数化设计语言编制了优化设计程序,用ANSYS软件中的零阶优化方法获得最优设计;另外对车架主要结构进行了拓扑优化,优化结果使纵梁结构节省了部分材料.计算结果表明,该优化设计的方法可广泛应用于车架的优化设计工程.     

面向车身结构轻量化设计的水平集拓扑优化

提出了一种基于水平集拓扑优化的车身结构轻量化研究方法,该方法非常适合于处理车身结构设计中大量存在的多孔连续性结构体的拓扑优化.运用构造的基于水平集的数值方法,对车身近似二维的典型结构件发动机罩内板进行拓扑优化.结果表明,基于水平集的拓扑优化方法应用于车身结构轻量化研究是可行和有效的.     

基于OptiStruct的重卡车架优化设计

本文提出运用OptiStruct工具进行重卡车架仿真和优化,介绍了3种优化方法,包括∶准确解读强度仿真结果寻找优化措施,基于强度仿真结果进行结构改进;针对关重结构进行拓扑优化摸索设计思路;通过全局的厚度与形状灵敏度分析,并通过实例将优化结果与同类车型实际结构对比,验证了仿真结果的正确性。     

渐进结构优化法在桥梁找型中的应用

介绍了结构拓扑优化方法的基本理论,详细阐述了双向渐进结构优化法的原理和优化过程,并根据双向渐进结构优化法编制了基于ANSYS平台的结构拓扑优化程序.模拟现有桥梁结构和构件的边界条件,应用该程序求解二维平面拓扑优化问题,分别完成了不同矢跨比拱桥、悬索桥主缆以及斜拉桥桥塔的拓扑优化.拓扑优化过程中结构可经历多种拓扑形态,优化结果表明应力均匀、传力流畅,从而验证了自编程序的有效性.最后,将该程序从二维平面拓展到三维空间,实现一座峡谷桥梁的三维拓扑优化,并基于优化结果的拓扑形式完成了其概念设计方案.研究表明结构拓扑优化技术可以在桥梁概念设计阶段得出合理而富启发性的桥梁结构形式,在桥梁找型方面具有良好的应用前景.     

张骥《关学宗传》的学术史意义

为了提高拓扑优化在实际工程应用中的速度,将一种基于拓扑灵敏度的拓扑优化算法与免组装有限元法结合,对汽车悬架控制臂进行多工况拓扑优化.该方法使用一致的体素单元划分网格,用压缩共轭梯度法(DCG)加速有限元的求解,得到结构的应力和应变场,从而获得拓扑灵敏度场,用来控制结构拓扑变化.通过添加多工况优化以及加工约束功能,使该方法更符合工程应用的要求.通过对比,该方法和商用软件能够获得性能接近、形状相似的优化结构,而整个优化过程的速度有显著提高.     

应力约束下桁架结构拓扑优化的静定基法

对于从基结构出发的单工况应力约束下使桁架结构重量最轻的最优拓扑,必定是静定结构;对于多工况应力约束下桁架结构的最优拓扑大多数是静定结构。而对于超静定结构的求解,目前的方法多是转化为静定的基本结构来求解。由此,本文提出一种求解桁架拓扑优化问题的新分析方法——静定基法,给出了静定基法的基本思想和求解策略,用解析方法求解了单工况应力约束下的桁架拓扑优化问题,研究了多工况应力约束下最优拓扑为静定结构的桁架结构,给出了优化问题的精确解。算例表明了该方法的有效性和可行性。     

基于有限体积法的稳态热传导结构拓扑优化

针对散热结构拓扑优化设计的研究现状,提出一种基于有限体积法的稳态热传导结构的拓扑优化设计,构建两种区域离散策略,即内节点法和外节点法.借助变密度法拓扑优化理论,建立以散热弱度为目标函数的稳态热传导结构的拓扑优化数学模型,研究在第一、二和三类边界条件下的优化问题.算例计算结果表明,基于不同区域离散格式外节点法和内节点的拓扑优化设计均能有效改善结构的散热效果,且能获得良好的拓扑优化构型,对微热源的影响也能识别最佳的散热路径.      

纯电动汽车车身多目标拓扑优化设计

为解决纯电动汽车车身设计中仍沿用传统车身,未同时考虑碰撞相容性和正面碰撞安全性的问题,基于混合元胞自动机拓扑优化方法,以在约束条件下吸收碰撞能量最大化为优化目标,对车身结构进行多工况概念设计,从而确定出合理的电动汽车车身布局,设计出了一种满足正面碰撞安全性与碰撞相容性的车身头部结构.结合拓扑优化结果进行有限元模型验证与厚度分析,结果表明:2~3mm的汽车头部厚度可在满足正面碰撞安全性条件下平衡碰撞过程中车体结构的纵向错位,保证碰撞力的均匀分布,实现车身轻量化.     

显式拓扑优化的拉压杆模型自动提取方法

为了实现从显式拓扑优化到拉压杆模型的自然过渡,同时保持拓扑优化结构与拉压杆模型的拓扑一致性,以可移动变形组件拓扑优化为例,建立了显式拓扑优化拉压杆模型自动提取方法。该方法是计算机图形学和结构优化的结合,采用Voronoi骨架提取和形状优化,由骨架提取、框架提取和形状优化3部分构成。结果表明,该方法自动构建了受力合理且几何规则的拉压杆模型;Voronoi骨架提取从显式拓扑优化结构提取了光滑的中轴骨架;以类桁架指标为约束的形状优化实现了拉压杆模型从框架结构到桁架结构的质变。     

封闭加固型计算机板卡锁紧结构接触热阻分析

针对封闭加固型计算机芯片冷板和机箱导轨间的界面传热问题，利用有限元软件对两种常用的导轨锁紧结构(3J和5J结构)进行了建模与分析，通过比较接触压力和接触热阻分布特点，发现在相同条件下5J结构具有更低的接触热阻.随后，以5J结构为研究对象，详细分析了螺栓扭矩和表面粗糙度对其接触热阻的影响，发现增加螺栓扭矩或减小表面粗糙度虽然都可以减小接触热阻，但增加螺栓扭矩引起的热阻降幅较小，且还会产生较高的接触压力，不利于长期使用.原因分析表明:机箱导轨刚度不足是导致界面接触不均、热阻分布不均和平均热阻偏大的主要原因，因此对机箱导轨的结构与尺寸进行了优化.计算表明，优化后的结构不仅显著降低了接触热阻，而且大幅减小了界面接触压力，减小效果在螺栓扭矩较大、表面粗糙度较小时更为明显.     

空间光学遥感器长条形反射镜集成优化设计

针对空间光学遥感器离轴三反光学系统主镜的高轻量化率、高面形精度要求,提出了一种长条形反射镜集成优化的设计方法。首先利用变密度的拓扑优化方法分别得到刚度最大化和一阶频率最大化的反射镜拓扑模型,综合两种拓扑模型得到了反射镜的集成设计方案;然后提出了基于镜面变形值的镜体加强筋变量拓展优化方法,进行了设计变量的灵敏度分析,并对反射镜局部加强筋进行了多变量尺寸优化,得到了该长条形反射镜的最佳轻量化结构;最后对优化结果进行了有限元分析,仿真结果表明反射镜在优化后的面形精度有了显著提升,镜体质量仅为8.65 kg,与实心镜体相比轻量化率达到了80.9%。在Z向1g重力作用下,镜面面形精度峰谷值为23.70 nm,均方根值为4.54 nm,该优化方法能很好地满足设计要求。     

基于等效静态载荷法的车身碰撞拓扑优化

将约束释放作为边界条件引入基于等效静态载荷法的拓扑优化中,以应变能作为整车刚度的评价指标,引入相对位移作为部件柔度的评价指标.对比研究了整车正碰工况下采用约束释放和单点约束作为碰撞分析模型的拓扑优化的异同以及不同优化目标对优化结果的影响.研究结果表明:采用约束释放作为边界条件的优化结果更集中于碰撞发生位置的结构优化,而采用单点约束作为边界条件的结果更倾向于在约束处分布材料;相对位移最小可以作为优化目标,而最大化相对位移最好转化为约束条件再优化.     

基于整车虚拟样机的车体结构拓扑优化

基于整车零部件几何模型,结合车体的有限元网格划分及模态分析,构建履带装甲车辆刚柔混合虚拟样机,进行典型工况下的多体动力学仿真分析,输出若干关键时间点车体承受的荷载.利用有限元分析技术将荷载加载到车体有限元模型上,对车体进行结构力学分析和多荷载步拓扑优化.根据拓扑优化结果修改车体局部结构,并重新构建虚拟样机模型再次进行仿真分析,将应力和变形分析结果与原仿真结果进行比较.结果表明,结合动力学仿真和有限元分析进行结构拓扑优化,可以改善关键零部件的力学性能,提高刚强度,为改善装甲车辆的结构性能提供了一种有效方法.     

折叠电动车主折叠机架的轻量化设计

以折叠电动车主折叠机架为对象,利用有限元对其进行轻量化设计.运用Solid Works建立主折叠机架的简化三维模型,导入到ANSYS Workbench中进行静力学分析,并利用拓扑优化和尺寸优化的方法对主折叠机架连杆进行轻量化设计.结果表明:原始折叠电动车主折叠机架在3种工况下有可优化的空间,进行拓扑优化后主折叠机架由10.97 kg变为10.48 kg,减轻了4.47%;对拓扑优化后的结构进行力学分析,发现主折叠机架还有进一步优化的空间.在拓扑优化的基础上,通过尺寸优化的方法对主折叠机架的槽型折弯件的截面尺寸进行轻量化设计,其质量变为8.72 kg,两次优化主折叠机架共减轻了20.51%,轻量化效果明显.     

二维连续体的拓扑优化设计研究

为二维连续体的扑拓优化提供一种基于材料弹性模量的解析敏度求解方法。利用该方法开发一套二维连续体的拓扑优化设计程序。方法用以可变弹性模量作为设计变量的新方法对连续体进行拓扑优化设计,使拓扑优化在各向同性连续材料的前提下,用解析法求解敏度。