精密仪器承载板的多尺度轻量化设计

针对过载下航空零件精密仪器承载板的结构轻量化和力学性能提升的需求，融合拓扑优化和点阵优化的优点，以结构最小柔顺度为约束、质量最小化为目标，提出了一种拓扑优化与点阵优化相结合的多尺度轻量化设计方法，并对关键参数格栅结构、格栅填充比和体积约束设计了三因素三水平正交实验，在保证安全性能的前提下使优化件达到质量最轻。结果表明，多尺度轻量化后的仪器承载板的质量减轻了85.2%,过载下的变形降低了29.07%,结构的动力学性能得到提升。在拓扑优化基础上再采用格栅结构填充的多尺度优化设计方法可降低优化件的质量，为航空领域中承载板类零件的轻量化设计提供了参考。     

考虑增材制造填充结构强度的拓扑优化方法

提出了一种针对给定薄壁外形的内填充结构拓扑优化方法,用于设计具有优化结构强度、满足增材制造几何要求的轻量化多孔填充结构.基于p范数函数计算结构最大应力近似值,并以最小化该值为优化目标,以提升填充结构强度.通过在优化模型中考虑局部体积约束,获得多孔填充构型,并进一步提出局部体积上限动态调整策略,提升优化过程稳定性,避免优化过程约束过强导致结构构型和应力响应突变甚至优化失败.此外,考虑了自支撑约束,保证优化所得填充结构自支撑,且支撑给定薄壁外形的悬空区域.引入了基于两场公式的优化模型,确保优化所得填充结构满足增材制造最小尺寸要求.数值算例表明,所提方法优化结果与以最小化柔度为目标的填充结构拓扑优化结果相比,在相同质量下结构强度得到了显著提升.在此基础上,在优化模型中考虑了柔度约束,讨论了填充结构刚度、强度的相互影响规律.     

PCB数控钻床工作台支撑板结构的设计优化

针对六钻头PCB数控钻床工作台支撑板,应用ANSYS软件进行拓扑优化分析,合理配置结构,减少支撑板质量,保证结构刚度最大化,并改进支撑板结构。对菱形结构、十字形结构和改进型支撑板进行尺寸优化,提高结构比刚度。在拓扑优化的基础上,通过静力学分析和模态分析对3种结构形式支撑板进行研究对比。结果表明,改进型支撑板减小了最大变形量,提高了固有频率,从而提高了工作台运动过程中的刚性,以及工作台进给系统的定位精度。     

包装货物装卸机上料臂支座优化设计

针对包装货物装卸机上料臂支座在使用过程中出现的变形较大、结构笨重等问题,提出了一种优化上料臂支座结构的方法。对上料臂支座进行了多工况下的静力学仿真,并对支座进行了扩充设计;以最小柔度为目标,使用拓扑优化的方法对支座的肋板区域重新设计;根据优化后模型进行参数化建模,以模型质量、最小变形为目标进行了响应面法的多目标参数化优化。优化结果表明:支座等效应力减小了69.97%,质量减小了17.71%,最大变形减小了11.12%。该优化方法对同类装卸机关键零部件的设计优化具有一定的参考意义。     

塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计

为实现塔式起重机臂架布局和尺寸的优化,提出了桁架结构拓扑及尺寸两阶段优化设计方法.第一阶段先建立臂架的周期性板梁拓扑优化模型,使用周期性SKO方法对腹板进行连续体拓扑优化,得到优化的腹板拓扑构型,并通过提取主应力路径将优化的腹板拓扑结构转化为离散的腹杆布局;第二阶段以臂架腹杆截面半径为设计变量,臂架柔度为目标函数,材料体积为约束条件建立优化模型,基于Lagrange乘子法和库恩塔克条件推导腹杆截面尺寸优化迭代准则,基于欧拉公式推导了腹杆稳定性约束条件以保证尺寸优化过程中臂架稳定性.数值分析结果表明,该优化方法能有效地减轻臂架结构质量,提高臂架的刚度,减少变形并降低结构应力水平.     

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.     

基于网格变形与代理模型的横梁参数化建模与轻量化优化

建立了包含导轨结合面的横梁有限元模型,并通过模态实验验证了有限元模型的正确性,在多种极限工况下对原横梁进行了静动态特性分析与评价;针对现有优化方法的不足,采用了一种新的优化设计方法:通过网格变形技术实现结构尺寸的参数化建模,基于拉丁超立方采样、相对灵敏度分析和Kriging近似模型建立横梁结构优化的代理模型以代替现有的有限元仿真模型;以体积最小为优化目标,以刚度、强度和动态性能不变为约束条件,采用遗传算法进行优化设计.优化结果表明:在保持横梁最大变形、静刚度以及一阶模态频率基本不变的情况下,横梁总质量减少了58 kg(减少了5.9%).     

炮塔拆装台架变径设计与目标交互优化

为解决现役各种自行火炮炮塔拆装台架通用性差、种类冗杂的问题,通过分析其尺寸需求,设计了一种变径炮塔拆装台架,为实现拆装台架的轻量化设计并提高台架刚强度,提出了拓扑优化和尺寸优化相结合的目标交互优化设计方法.首先,以台架最易发生破坏的托盘质量最小为优化目标,最大许用位移、许用应力为约束条件,单元密度为设计变量,对托盘进行拓扑优化;然后,对拓扑优化结果进行规整,以提高刚强度为优化目标,质量不增加为约束条件,重要尺寸参数为设计变量,对托盘进行尺寸优化.结果表明,优化后托盘质量由1 421 kg减为1 032 kg,结构刚强度均有较大幅度提高,并通过工装试验验证了优化结果的有效性.      

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ANSYS的监测装置清洗轮优化设计

介绍了一种新型密闭容器料位监测装置的设计方案。基于ANSYS平台对监测装置的关键零部件清洗轮进行静力学分析,结果显示存在结构冗余。为获得更好的动力学性能,采用拓扑优化和多目标尺寸优化相结合的设计方法,以最大变形量、最大等效应力作为约束条件,对清洗轮进行了以减轻总质量为目标的结构优化设计研究。分析结果表明:与原设计方案相比较,优化圆整后的清洗轮总质量为0.998 kg,相比优化前的1.526 kg,质量减少34.60%;最大等效应力37.215 MPa小于材料的许用压应力110 MPa,说明力学性能满足要求;最大整体变形量为0.023 mm,满足最大整体变形0～0.25 mm的设计需求。     

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.      

渐进结构优化方法在联轴器优化设计中的应用

针对联轴器优化设计中普遍关注的结构轻量化和最大应力最小化问题,借助Hyperworks 有限元分析软件,采用渐进结构优化方法,对SSWZ330 型十字轴万向联轴器进行了结构拓扑优化设计。优化后,可使材料节省9． 17%,工作时最大静应变减少2． 3%,最大应力减少52． 1%,改善了结构性能,减轻了结构重量,拓展了Hyperworks 软件在机械部件结构拓扑优化设计领域的实际工程应用。     

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。     

基于变密度法的山地自行车关键连接结构件拓扑优化设计

针对山地自行车减震器端和车架连接端的关键结构部件的轻量化设计问题,构建等比例三维实体模型,并采用变密度理论的拓扑优化方法,以最大化刚度为优化目标,以设计空间总体积和质量作为约束条件,对山地自行车结构部件进行拓扑优化再设计。优化求解获得一个新型的连接结构件,并对该结构在实际工况下的Mises应力、最大位移和安全系数等进行仿真校核,通过优化前后结构的分析结果综合对比,发现在保证结构部件强度、可靠性的前提下,该结构部件实现减重约50%,极大节省材料消耗。     

高强度钢板复杂零件的冲压压边圈拓扑优化

在分析冲压模具结构的基础上,提出了冲压模具结构拓扑优化方法,建立了以减重为目标的高强度钢板压边圈优化设计方法,并以DP590轿车侧向高强度双向钢底板拉深压边圈为例加以验证.结果表明:与按准则的设计相比,采用拓扑优化设计的压边圈可以减重50%,且其结构的关键位移及最大应力均未受到影响.     

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。     

拓扑优化在单缸机缸体轻量化设计中的应用

为将三维拓扑优化技术应用于发动机气缸体轻量化设计中，对采用变密度拓扑优化方法的拓扑优化技术进行了研究．以缸体上施加最大爆发压力工况为边界条件，以缸体总柔度最小化为优化目标，以缸体重量为约束条件，对缸体进行拓扑优化．拓扑优化后的结构考虑加工、装配等因素，进行合理的重新建模后，分析了最大爆发压力工况和最大侧向力工况的气缸体应力分布，两种工况下优化后的缸体最大应力比原气缸体降低，应力分布更加均匀．结构优化方法用于缸体的等强度轻量化设计中，很容易确定缸体的最佳形状，并能减少重复设计验证的次数。     

基于响应面法的复合材料舱壁结构优化设计

为减轻船舶结构重量,提高船舶的承运能力,造船企业逐渐考虑采用复合材料结构替代常规的钢制舱壁结构。为得到最佳的舱壁结构设计参数,提出了一种将响应面模型与遗传算法相结合的优化设计方法。采用Box-Behnken设计方法,在设计空间中抽取样本点并进行模拟,建立舱壁最大变形、最大Mises应力及质量的响应面模型。利用遗传算法对响应面模型进行优化,得到Pareto最优解。仿真实验表明:与原先的钢制舱壁方案,优化后的质量减轻了约23%,最大变形基本与钢制舱壁方案一致。研究结果表明所提出的方案适用于工程结构多参数优化设计。