基于RKPM梁固有频率及薄板柔度的拓扑优化

以节点相对密度为设计变量,以固有频率最大为目标函数,通过修正低密度区质量矩阵建立了基于重构核粒子法(RKPM)的结构动力拓扑优化数学模型.采用罚函数法施加本质边界条件,利用直接微分法推导了结构固有频率灵敏度方程,同时研究了受横向载荷弯曲的基尔霍夫薄板柔度最小的拓扑优化问题.最后对比分析了节点依赖性以及设计变量对最优拓扑结构的影响,并结合以上算法和优化准则法编写程序完成了2个拓扑优化算例.优化结果表明:所建立的模型不仅能有效抑制局部模态和重特征频率的出现,而且因通过重构核近似提高了计算点密度场的连续性,棋盘格现象得以消除,可以得到清晰光滑的拓扑边界.     

基于刚度链的纯电动汽车车身主断面优化设计

基于梁单元车身简化几何模型建立以主断面为节点的车身静态和动态刚度链数学模型,研究电动车车身主断面属性与刚度以及模态的关系;以车身刚度、模态为约束条件,以车身质量最小为目标函数进行多目标优化,并利用遗传算法求解,得到同时满足静态刚度和频率特性要求的电动汽车车身主断面属性参数。建立对应的车身骨架有限元模型计算刚度及模态,并与刚度链优化结果进行对比分析。对比分析结果验证了本文研究方法的合理性和有效性。     

滚动直线导轨副可动结合部动力学建模

将滚动直线导轨副可动结合部视为一个独立无质量的八结点六面体单元,且每个结点之间相互耦合,在此基础上利用刚度影响系数法建立其动力学模型.采用实验模态分析与有限元分析相结合手段,通过非线性最小二乘法的优化方法对动力学参数进行了识别.利用振型相似进行固有频率的比较和分析,计算结果与模态试验结果符合,验证了模型的有效性,为数控机床整机动力学精确建模提供了理论基础.     

基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计

针对电动汽车的独特承载要求,提出一种结合拓扑优化和车身尺寸优化的优化设计方法.以某型电动汽车为实例,通过建立白车身拓扑优化模型、有限元概念模型、尺寸优化模型和样车制造,进行了从整车拓扑结构到车身梁截面的优化设计过程,实现了电动汽车白车身的正向设计.在优化过程中采用遗传算法,以弯曲刚度和扭转刚度同时作为优化目标,白车身质量最小作为优化约束,选取了灵敏度较高的梁作为变量进行多目标优化.通过与样车参数的比较表明,该方法能够满足设计和工艺要求,实现轻量化设计,对提高白车身设计效率和精度有着重要的意义.     

FSAE赛车车架灵敏度分析与轻量化设计

以FSAE赛车车架为研究对象,构建了基于扭转刚度及模态频率综合灵敏度分析的车架有限元模型.通过考虑管件壁厚对车架性能影响的相对灵敏程度,从而选择更具针对性的设计变量进行优化设计.以车架质量最小为目标函数,以扭转刚度和模态频率为约束条件,对车架管件壁厚进行优化计算.结果表明,在保证使用性能的前提下,优化后的车架质量比原设计减少了6.01%.     

基于静动态特性的管道清淤机器人清淤盘的优化研究

目的为实现清淤装置的轻量化和提高工作可靠性,以参数优化和拓扑优化结合的方法对清淤盘进行静、动态特性研究.方法优化前通过有限元分析确定优化目标和顺序优化方法;以质量最小化作为优化目标,以应力和柔度作为约束条件建立参数优化数学模型,对基盘进行参数化优化;以柔度最小作为优化目标,以体积缺省比和应力作为约束条件,建立拓扑优化模型,对清淤盘进行拓扑优化;最后对优化后的清淤盘进行静、动态有限元对比分析.结果优化后,结构的质量减轻了37. 94%;迎水面积大幅减小;最大变形改变量分别为3. 04%和11. 07%;结构应力分别降低了55. 24%和87. 97%.结论清淤盘的优化达到了轻量化和减小迎水率的目的,结构刚度、强度均满足设计要求,且动态性能有所提高.     

基于二级多点逼近算法的连续体结构拓扑优化

针对基于变密度法的连续体拓扑优化中设计变量连续性的特点,建立了以结构重量最小为目标,考虑位移和频率约束的连续体结构拓扑优化模型;原拓扑优化问题先转化为具有较高精度的第一级多点近似序列问题,该问题的约束函数由优化过程中历史设计点的临界约束函数值及其一阶导数构造;再通过线性泰勒展开建立可由对偶法快速求解的第二级近似序列问题,以逼近各第一级近似问题的解. 采用敏度过滤技术,避免棋盘格引起的数值缺陷问题,并对低密度区域的单元刚度进行惩罚,以消除频率约束问题的局部模态现象. 优化过程中采用通用有限元程序Nastran进行结构分析和敏度分析. 数值算例结果表明:应用该方法可以有效地解决具有位移和频率约束的连续体拓扑优化问题.      

大型摊铺机车架的力学特性分析与结构优化设计

首先,基于大型摊铺机车架刚度和强度设计方法,建立大型摊铺机车架的有限元模型.然后,通过模态仿真计算与模态分析得到车架的前10阶固有频率及主要振型,并通过模态实验验证了有限元模型的正确性.最后,提出动静力学特性相结合的综合结构设计方法:以动态刚度为目标函数,通过相对灵敏度分析确定车架刚度薄弱部分,利用拓扑优化手段实现摊铺机车架局部形状的改变及加强筋的布置,以提高车架刚度;结合静力学特性,分析摊铺机车架在静置情况下的应力分布及变形情况,以校验其性能可靠性,最终完成车架结构优化设计.对优化后的车架进行仿真分析,结果表明,优化后车架第1阶和第2阶固有频率明显提高,同时车架质量减少了3%.     

考虑自重影响和屈曲约束的结构拓扑优化方法

为综合解决考虑自重影响和屈曲约束的结构拓扑优化问题,提出一种新的拓扑优化设计方法.首先,针对优化过程中低密度区域的伪屈曲模态问题和自重引起的寄生效应问题,同时为了减少计算量,提出了改进的材料惩罚模型,并引入伪屈曲模态的识别和删除措施.其次,为克服常规应力单元的应力刚化问题,采用混合应力单元对结构应力进行了精确评估.基于密度过滤及Heaviside三场映射方案,建立了目标函数为考虑自重影响的结构柔顺度最小、满足屈曲和体积主动约束的拓扑优化模型.利用伴随变量法对屈曲约束的灵敏度进行了推导,并采用移动渐近线(method of moving asymptotes,MMA)算法对模型进行了优化求解.最后,通过算例说明了本研究方法的正确性和可行性.     

基于有限元的天平校准系统基座结构优化设计

在Solidworks环境下建立三维模型,运用有限元软件对基座结构进行动、静态性能分析,得到初始模型的性能参数.以最小质量为目标函数,以刚度、应力和频率为约束条件,建立数学模型.提出一种基于渐进结构优化法的拓扑优化方法,引入过滤函数来解决拓扑优化过程中容易出现的数值不稳定、数值分布呈棋盘模式的现象,保证计算结果的准确性.对拓扑优化后的模型重新分析计算后发现,其性能依然优异,基频提升26.7%,质量减少5.8%.     

基于混合灵敏度的某自卸车车厢结构优化设计

基于HyperMesh对某款自卸车车厢结构进行有限元建模,选取了水平弯曲工况和扭转工况进行有限元分析,得到了不同工况下的最大应力和变形,验证了模型的有效性;并对进行了自由模态分析,选取前10阶的固有频率和振型。在分析结果的基础上,以弯、扭刚度及一阶弯、扭模态频率为约束;以车厢结构总质量最小为优化目标,对34组设计变量进行直接灵敏度分析和混合灵敏度分析,得到了4组对结构性能敏感变量及16组不敏感变量,并对4组变量进行厚度增加及16组变量进行减薄处理。最后对选取的20组变量进行模型重构,对优化前后的结构性能进行对比,结果表明在不影响其他性能的前提下,减重9.8 %,取得了较好的优化效果。     

Optimization Design for Fixed Table of Gantry Machining Center Based on Sensitivity and Topology Analyses

In order to decrease the deformation and stress and increase the natural frequency of the fixed table,a method of optimization driven by the sensitivity and topology analyses is proposed.The finite element model of the fixed table is constructed and analyzed by using ANSYS software.Based on the results of static analysis and modal analysis,the maximum deformation,the maximum stress,and natural frequencies are obtained.Then,the sensitivity analysis and topology optimization are carried out to find out the parameters to be optimized.The fixed table is reconstructed according to optimal design scheme.In the comparison of the results between original model and the optimized one,the maximum deformation and stress are decreased by 71.73％ and 60.27％ respectively.At the same time,the natural frequencies from the first mode to the sixth mode are increased by 30.28％,29.57％,29.51％,31.52％,22.19％,and 21.80％,respectively.The method can provide technology guide for the design and optimization of machining structure.     

基于多目标的汽车前端框架拓扑优化

针对汽车前端框架的结构和工况特点,建立基于Hyperworks的有限元模型,运用带权重的折衷规划法定义综合目标函数来进行多目标拓扑优化,通过灰色关联法和层次分析法分别计算静态多工况下柔度的权重以及动态低阶频率的权重。结果表明：优化后的汽车前端框架最大变形、最大应力分别降低了21.67%、34.39%;第一阶模态提高了10.56%;质量从3.55kg降低到3.32kg减轻了7%。采用多目标拓扑优化后的汽车前端框架不仅有效提高刚度、强度和固有频率性能基础,还能促进汽车前端轻量化水平的提升。     

高温质子交换膜燃料电池电堆端板拓扑优化

以实现高温质子交换膜燃料电池单电池内部接触压力的均匀性与电堆内单电池之间接触压力的一致性为目的,建立了一种具有非线性接触边界条件的高温质子交换膜燃料电池电堆端板的拓扑优化模型.通过研究在一定工作温度下装配荷载对电堆内部接触压力的影响,并综合考虑端板的质量与制造难度,构建了一种适用于燃料电池电堆的简化模型.从基于热力耦合的有限元法出发,对燃料电池端板进行以最小质量为目标、最大应力为约束的拓扑优化,并在综合考虑结构形状与拓扑结果的基础上建立端板的几何模型.结果表明,拓扑优化得到的端板结构使电堆内部具有更均匀的接触压力,因此拓扑优化可以为端板的结构设计提供理论参考.     

车架结构二次拓扑优化设计与性能分析

针对重型车底盘车架的设计问题,提出一种基于多工况和二次局部优化的整体拓扑优化方法.根据商用车底盘实际尺寸,建立其结构拓扑优化模型.基于7种典型行驶工况得到初始拓扑结构,再根据不同工况对其局部二次拓扑优化得到最终车架优化结构,最后对其进行有限元仿真对比分析.结果表明:新车架结构质量减轻约30 kg,其刚度、强度及模态性能与原车架相比均有一定程度的改善,验证了所提出的二次拓扑优化方法的有效性.     

基于灵敏度分析的车门轻量化研究

利用Hyperworks建立某车型车门的有限元模型,对车门固有频率、下沉刚度进行求解,并通过模态试验验证了有限元模型的有效性。为了提高结构优化效率,采用灵敏度分析方法确定对车门质量、下沉刚度和一阶固有频率敏感的部件。然后,以质量和下沉刚度为设计目标,一阶固有频率为约束条件对车门相应部件厚度尺寸进行多目标优化设计。计算结果显示,优化后的车门质量下降明显,下沉刚度有所提高,且一阶固有频率基本保持不变,实现了结构的轻量化目标。     

EFG法在拓扑优化中的灵敏度分析与应用

针对传统拓扑优化过程中所出现的数值不稳定性现象,以节点相对密度为设计变量,结构的柔度最小化为目标函数,提出了一种以无网格Galerkin法为数值分析方法的结构拓扑优化数学模型。利用SIMP插值模型和优化准则法,推导出其灵敏度分析算法,并编写了相应的计算程序,完成了两个连续体结构的拓扑优化。所得结果与基于有限元法的拓扑优化结果对比显示,应用无网格Galerkin法对结构进行拓扑优化设计,不仅能有效抑制棋盘格现象,且具有较好的迭代收敛性。     

尾座箱体的特性分析与优化

建立了高刚度数控机床的尾座箱体模型。通过运用Hyperworks软件,对其进行了有限元分析。获得了尾座箱体模型的变形、应力、低阶频率等相关性能。进一步对其进行拓扑优化,改变了尾座箱体的结构,提出了优化方案。该方案在保证最大变形,最大应力增大,低阶频率保持基本不变的情况下,可使重量减轻4.24%,减低了箱体的运动惯性,有利于提高箱体的控制性能。