基于拓扑优化与灵敏度分析的客车车身轻量化研究

文章以某半承载式客车为例,建立车身拓扑优化模型,综合考虑车身弯曲刚度和扭转刚度,进行拓扑优化设计;对拓扑优化后的车身结构进行灵敏度分析,优化车身杆件的厚度,经拓扑优化、灵敏度分析,车身减轻质量362kg,达14.6%,取得良好的轻量化效果。     

基于水平集演化的结构拓扑优化解分析

针对界面力的大小、作用的位置以及部分给定位移的结构边界始终保持不变的要求,以工程技术人员易懂的方式,导出了基于水平集演化的结构拓扑优化问题的最佳解的必要条件,并构建了相应的法向速度场,研究了由该法向速度场导出的序列解的收敛特性.     

基于水平集方法的传动带轮拓扑优化设计

为了使扫路车传动带轮在轻量化下加强静态刚度及提升抑制外界激励的能力,将基于水平集方法的拓扑优化技术应用到传动带轮的结构设计中。依据传动带轮的真实工况条件,利用HyperMesh对传动带轮进行有限元前处理,以目标函数选择小型扫路车主动带轮具有的刚度值最大化,约束条件为结构的体积比,对其进行水平集方法的拓扑优化设计,获得最优的主动带轮结构排布。结果表明,该传动带轮的静态刚度得到了一定的提升且消除应力集中现象。     

水平集方法及其在柔顺机构拓扑优化中的应用

由于具有跟踪拓扑结构变化、优化边界清晰光滑等优点,水平集方法作为一种新颖的机构拓扑优化方法近来受到了重视.文中首先讨论了水平集方法中Hamilton-Jacobi方程的求解、水平集函数的重新初始化、速度场扩展等出现的问题.在此基础上,给出了应用逆风差分格式求解Hamilton-Jacobi方程的数值方法,并采用改进的符号函数有效解决了数值的不稳定问题,提出的快速扫描法可以对速度场进行有效扩展.最后,建立了基于水平集方法的柔顺机构拓扑优化模型,利用水平集法对反位移柔顺机构进行了拓扑优化设计.     

乘用车车身结构轻量化设计影响因素研究

轻量化是实现汽车节能减排的重要途径,已成为汽车行业重要技术发展方向.本文从车身结构的持续优化调整、车身部件的改良、车体结构技术三方面,建立了车身轻量化设计体系流程,并开发了CAE仿真和试验测试相结合的轻量化节油效果和碰撞安全性验证方法.结果表明,基于某乘用车实现了车身减重53.44 kg,NEDC工况冷机节油1％、热机节油1.22％,同时实现C-NCAP正面碰撞15.6分、偏置碰撞16.74分,满足五星安全标准.     

大客车车身骨架轻量化改进设计

通过对大客车车身的有限元分析，获得车身强度分布状况，在此基础上进行车身骨架的轻量化改进设计．针对ANSYS交互界面好的特点，采用正交法和交互调整相结合的方法进行计算．对一些强度、刚度影响小的构件，直接进行改进，而一些重要构件则安排正交计算，进行不同工况水平下的多次计算，从中寻求轻量化设计方案．计算结果表明，这种方法切实可行，具有明显效果，为大客车的车身骨架提出一个切实可行的轻量化改进方法．     

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.     

中型客车车身结构强度优化及轻量化设计

建立客车车身骨架的有限元分析模型并对其进行结构强度分析与优化.模型中保留了主要承载件,对悬架、预埋件、变截面梁与蒙皮进行了简化.在整车结构强度分析的基础上,采用尺寸优化设计方法对整车骨架进行轻量化设计.结果表明:优化后的结构强度明显增强,在一定程度上达到轻量化的目的,为客车整体骨架的优化提供了参考和依据.     

结构拓扑优化中水平集方法的快速初始化研究

水平集方法是求解结构拓扑优化问题中的一种有效方法,该方法主要缺陷是每隔一定时间需要重新初始化水平集函数.因此,本文提出了一种基于偏微分方程和快速步进法的初始化算法.所提出的算法能够区分任意形状的闭合曲线或曲面的内外部,改进了以往初始化算法的数值不稳定缺陷,从而使水平集方法的计算效率和稳定性有了显著的提高.最后,通过算例验证了该算法的有效性.     

整体叶盘磨抛机床叶片型面磨头结构拓扑优化设计

针对航空发动机整体叶盘磨抛机床叶片型面砂带磨头结构的轻量化设计目标,对磨头支撑板开展变密度法拓扑优化设计.在完成磨头静动态分析的基础上,进行了变密度法拓扑优化理论分析.以磨头支撑板最优材料分布为基础,对磨头结构开展轻量化布局以及尺寸优化,获得了最终的磨头结构设计参数.结果表明,优化后磨头质量总体来说相比原始结构减轻了8.74%,并在动静力学性能方面获得了较为理想的提升,较好地实现了磨头结构减重优化设计目标.     

干片式制动器支撑结构的拓扑优化方法

提出了一种干片式制动器支撑结构的拓扑优化设计建模方法.基于变密度法,以支撑结构关键控制点位移最小为目标函数,建立了优化模型.通过设定关键点与其对应目标坐标之间的距离最小达到控制支撑结构关键位置变形的目的.采用关键点的权重因子来突出优化目标的主次关系.分析了三种不同设计域情况下支撑结构的拓扑构型,研究了约束条件对拓扑结构的影响规律.支撑结构优化支柱表现为一个复合孔槽结构,右下角为类三角形的通孔并且在外表面为较大的浅槽结构.结果表明在体积减少量增加的情况下,支撑结构的最大变形和最大应力会随之增加.在最大变形不变情况下,体积减少了10.2%;在体积相当的情况下,最大变形减少了9.4%;在体积减少6.0%的情况下,最大变形减少了4.1%.      

一种修正的求总极值的积分—水平集方法

1978年,郑权等给出了一个积分型求总极值的概念性算法及Monte-Carlo随机取点的实验途径,该文给 一种修正的求总有值的积发－－水平集方法,它有两个方面的特点：（1）每一步需构造一新函,而其与原目标函数具有相同的部极值;（2）避免了郑权算法在一般情况下,由于水平集不易求得而造成难以求出水平的困难,该文同样出了求总极的收敛准则。     

基于隐含边界描述的连续体拓扑优化

基于隐含边界描述的水平集方程推动几何边界,结合形状导数、拓扑导数等工具,实现了柔性目标函数的连续体结构拓扑优化设计.进一步通过引入Von Mises应力作为产生新拓扑结构的策略,给出了单独使用Von Mises应力开孔的算例.算例结果表明,基于隐含边界描述的连续体拓扑优化设计方法,它具有独特的处理拓扑变化能力及消除拓扑优化结果对网格和初始拓扑结构猜测的依赖性.这一类方法具有优秀的高维设计拓展能力,在工程实际和多材料设计等方面具有很好的应用前景.     

基于变形均匀的叶片锻造预成形拓扑优化设计

为了优化预成形设计,提出了针对提高锻件变形均匀性的预成形拓扑优化算法及相关单元增删准则,并开发了优化程序,对叶片锻件翼型截面的预成形结构进行了优化设计.与静水压力的单元增删准则优化的预成形进行比较,结果表明,新模型在模腔充满的基础上可有效改善锻件的成形均匀性.另外,相对简单的外形轮廓也便于预成形的完成,总体优化设计效果比较理想.     

灵敏度分析的客车车身模块重构与结构轻量化优化设计

提出基于灵敏度分析的车身模块重构设计,结合结构优化方法开展客车车身的轻量化设计.通过车身模块化减少灵敏度分析时的设计维度,并基于各子块厚度对车身扭转刚度的灵敏度系数进行车身的模块重构和结构优化.通过对比优化前后整车的强度,验证该方法对客车车身轻量化设计的可行性.结果表明:该方法使客车车身的质量降低了460 kg,最大应力减少了14.26%,且降低了车身结构优化设计的复杂度.     

连续体结构拓扑优化设计的ICM方法

基于独立连续拓扑变量及映射变换（ＩＣＭ）的拓扑优化方法应用于连续体结构,建立了统一的以重量为目标、考虑应力约束的连续体结构拓扑优化模型．提出基于综合评价的高效单元删除准则及算法．给出的经典的二维和三维连续体结构拓扑优化算例表明,这种统一的模型由骨架结构发展到连续体结构的拓扑优化也是成功的．该方法具有算法简单、收敛速度快和稳定性好等优点     

采用类桁架连续体的桁架结构拓扑优化方法

为了将非均匀各向异性类桁架连续体离散化为工程实际需要的杆系结构,分析了类桁架结构的性质和集中杆的确定方法,建立了类桁架结构的离散化方法.算例显示:采用先构造类桁架连续体,再离散化为杆系结构的方法是可行的,得到非常接近解析解的结果.