AGV车型分层结构桁架设计与多参数联合优化方法研究

为了实现AGV车架结构的强度优化和轻量化目标,以一款自主设计的AGV为研究对象,设计了一类分层桁架式的新型车架结构,并实现了基于响应面模型与优化算法组合的参数优化.在静力学分析的基础上,基于拉丁超立方试验设计构建了响应面模型,以车架方形钢截面尺寸参数为设计变量、以车架最大等效应力为约束条件、以车架总质量为目标函数,采用...     

基于仿生子结构的铝合金板式节点拓扑优化

针对铝合金板式节点自重大且应用传统拓扑优化效果不佳的问题,在子结构拓扑优化的基础上利用仿生学原理提出一种仿生子结构划分方法,显著改善了铝合金板式节点的拓扑优化效果,并构建一种轻质高强的新型铝合金节点.首先以Y型节点为例提出仿生子结构拓扑优化的基本思路和数学模型并验证了该方法的有效性;然后应用该方法对传统铝合金板式节点进行拓扑优化.优化过程中,先使用SolidWorks软件建立节点模型;然后以甲虫前翅为仿生对象进行拓扑优化子结构划分,并应用HyperWorks有限元软件中的OptiStruct求解器进行给定荷载条件下的节点拓扑优化分析;再通过OSSmooth模块进行FEA reanalysis处理,提取优化结果的关键拓扑特征;最后将拓扑节点有限元模型通过SolidWorks软件进行重建模设计,获得新型铝合金节点.研究结果表明,仿生子结构拓扑优化方法有效提升了结构优化效率和优化效果,应用该方法得到的新型铝合金节点在最大等效应力降低19.97％的同时大幅降低其自重52.91％.     

基于ANSYS的槽式太阳能桁架支撑结构数值分析

利用ANSYS有限元软件建立模型,根据桁架式聚光器的实际工况进行结构静力学仿真分析,并对该模型进行模态分析研究,得出影响聚光器结构和工作性能的共振频率值.同时应用ANSYS优化模块对桁架杆的尺寸进行优化,在满足设计要求的范围内,使桁架式支撑结构的重量达到最优值,既能实现产品正常性能,又能降低企业生产成本.     

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%.     

装配式钢牛腿偏心受压力学性能试验与有限元分析

装配式钢牛腿,因其结构简单、安装方便、使用安全得到广泛肯定.针对一种新型装配式钢牛腿开展研究.考虑肋板厚度、偏心距、锚板类型,进行了4个不同形式的装配式钢牛腿的偏心受压力学试验.测定了钢牛腿节点的荷载-变形曲线、应力分布状态、极限强度,观测其破坏形式,建立了有限元模型,分析研究了荷载-变形关系和节点弯矩-转角关系.结果 表明:钢牛腿节点呈现出半刚性节点特征.牛腿有两种破坏形式,当锚板无支撑保护时,锚板在牛腿还未达到极限承载力时先屈曲破坏;当锚板有支撑保护时,牛腿的极限承载力取决于螺栓的抗剪强度.从应力分布上对比发现,结构刚度突变处应力集中.连接处的焊缝质量和螺栓的材质是受力的关键,改善它们将极大地提高节点的承载能力.钢牛腿肋板厚度越大,极限承载力越大;偏心距越小,极限承载力越大.节点的初始刚度随肋板的加厚小幅增加,偏心距对节点初始转动刚度影响效果不明显,侧板与锚板安装间隙过大会降低节点刚度,应尽可能减少制作误差.     

风机叶片维修平台的力学性能分析及优化设计

目的分析风机叶片维修平台的力学性能,对其进行优化调整,解决供能设备未来维修风险问题.方法应用Solidworks软件建立风机叶片维修平台的三维模型,并将模型导入到ANSYS Workbench中建立有限元模型,在额定载荷、额定偏载和超载三种工况下进行静力学分析,对平台的刚度、强度进行校核;应用ANSYS Workbench中的拓扑优化模块进行优化;在Solidworks中对拓扑优化结果进行调整,得到最终设计方案.提取平台的前6阶模态,得到其固有频率及振型图.结果经过对模型的优化,在三种工况下平台的最大变形为1.61 mm,最大等效应力为110.65 MPa,满足设计要求.模态的提取为避免结构共振提供了理论依据.结论所设计的风机叶片维修平台安全可靠、拆装方便、便于转场运输,有较强的可用性;通过对所设计的平台进行优化设计及静力学验证,在比原始模型减重24.2%的情况下满足设计要求,为相关产品的设计提供了参考依据.     

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.     

考虑惯性载荷的多材料结构拓扑优化

基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型，在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题，采用材料属性有理近似模型（Rational Approximation of Material Properties，RAMP）来表达密度与弹性模量间假定的非线性函数关系，利用导重法建立惯性载荷下设计变量的迭代表达式并通过数值算例验证导重法在考虑惯性载荷作用下多材料结构拓扑优化的有效性.算例结果表明：RAMP插值方法相比其他常用插值模型得到的拓扑构型更清晰，灰度单元更少，在算例1的对比中结构柔度最高降低了35.2%.受惯性载荷影响越大的设计区域其分布的材料弹性模量越大，且高模量密度比能够显著提升结构刚度.     

考虑气动-结构耦合的机翼三维结构拓扑优化方法

针对机翼三维结构拓扑优化方法在工程实际应用中的气动-结构耦合问题,开发了一种在机翼翼型表面直接加载气动载荷的三维拓扑优化方法。用更接近真实工程的约束和载荷条件进行结构拓扑优化,便于考虑不同翼型之间气动载荷的差异,并兼顾拓扑优化方法的载荷敏感性;利用MATLAB编写自动网格划分、施加约束和载荷、求解优化的结构分析程序,实现气动-结构分析统一模型;最后通过实例验证了方法的可行性及有效性。结果表明该方法为载荷敏感的拓扑优化方法更精确得到符合实际工况的优化结果提供了一种实用的方案;并对于气动-结构耦合三维拓扑优化方法进行了原理性的探索研究。     

碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒低速碰撞轻量化设计优化

为了提升车身前端轻量化性能,本文设计与优化了一种新型结构的碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒.首先,建立了某乘用车钢制车身前端的有限元模型,并验证了模型的准确性.然后,运用拓扑优化技术对防撞梁及吸能盒进行拓扑设计,优化出其最优形状,确定新型防撞梁及吸能盒的三维模型.结合新型防撞梁及吸能盒模型,通过自由尺寸优化、尺寸优化...     

离散变量桁架结构拓扑优化的改进混合遗传算法

为了避免在结构拓扑优化过程中杆件和节点的增删带来计算上的麻烦,在对桁架结构进行受力分析的基础上设计了一些启发式准则来产生可能的拓扑结构形式,然后采用一种改进的混合遗传算法进行截面优化.混合遗传算法将离散复合形法引入到遗传算法中,一方面利用遗传算法为离散复合形法提供可行点;另一方面利用离散复合形法对遗传算法种群中的可行个体和不可行个体进行改进,从而提高了遗传算法的局部寻优能力,并对标准遗传算法在选择、交叉和变异操作上作了一些改进.它将两种算法的优点集中在一起,同时又弥补了两者的不足.算例的结果表明,该方法用于桁架结构拓扑优化是简单、快速和有效的.     

基于有限元与正/逆向技术的产品结构轻量化设计

首先对目前产品轻量化设计的现状进行了分析,而后以某机械臂结构为研究对象,应用有限元分析软件进行了静力学求解,并基于其静力学结果对研究对象的结构进行了拓扑优化分析。为高效的利用拓扑优化计算结果,将计算结果输出并运用正/逆向技术进行了模型重构,对重构后的模型进行了相同加载条件下的静力学校核,以验证结构设计的合理性。通过研究验证了拓扑优化与逆向工程技术相结合的方法在产品轻量化设计过程中的可行性。     

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.     

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.     

电阻层析成像有限元模型优化

为了提高电阻层析成像正问题计算精度,以有限元模型次最外层半径为变量,以敏感场均匀分布时模型均方根值的倒数为适应度函数,利用求解低维多峰值函数优化问题的改进遗传算法,优化模拟敏感场内电流线分布密度与分布形式的新型拓扑结构有限元模型,最后以各峰值点对应的中心流模型均方根值为误差函数,选择新型拓扑结构有限元模型次最外层半径的最优值.仿真实验结果表明,相同实验条件下,相比优化前新型拓扑结构有限元模型、传统按等间隔原理剖分的有限元模型及其改进模型,优化后有限元模型在敏感场均匀分布时模型均方根值分别降低了32.002 5%、83.395 8%和44.760 5%,有效提高了电阻层析成像正问题计算精度与图像重建质量.     

自重构机器人辅助自重构规划策略研究

针对仅仅依靠初始构形组成模块间的相互协调运动无法完成自重构任务这一情况,结合DL-Cube(Double L Cube)自重构机器人单元模型的结构特性,设计构建了风车形子单元,该子单元具有移动、转变模块方位、携带模块等能力.提出了基于公共拓扑的自重构规划策略,即在进行自重构之前利用分级优化机制搜索出初始构形与目标构形之间的最大公共拓扑,然后以此公共拓扑为目标构形的生长中心,同时,借助于风车形子单元移动、转变模块方位及携带模块的能力,最终实现目标构形的重构.利用仿真实验验证了上述理论的有效性和可行性.     

预应力条形钢拉板索穹顶及施工全过程分析

为了解决刚性屋面应用于常规索穹顶结构连接构造复杂的问题,提出了一种新型预应力钢拉板索穹顶结构.结合条形钢拉板的特点,基于非线性动力有限元法,提出了通过建立预分析模型确定初始形态的正施工过程分析方法.在无锡新区科技交流中心屋盖结构的基础上,设计了新型预应力钢拉板索穹顶结构模型,进行了无支架提升牵引施工全过程分析.结果表明:钢拉板索穹顶结构位形在建造过程中经历了悬垂状态、调整状态和刚化状态;提升索和牵引索的拉力在钢拉板外端点接近外支座时会有较大提高;条形钢拉板在整个施工过程中均保持弹性状态,且最终位形与索杆单元模拟的脊索位形相差不大,证明了新型预应力钢拉板索穹顶结构的可行性.     

两种不同配钢形式钢骨混凝土L形柱的受力性能对比分析

通过4根钢骨混凝土(SRC)L形异形截面柱进行低周反复加载试验(其中2根配桁架式钢骨,2根只在截面角部配置型钢而肢端配等截面螺纹钢),得到该类新型构件的受力性能和破坏机理,并且分析比较两种不同配钢形式的钢骨混凝土L形柱试件的破坏形态、滞回特性、承载力、刚度退化、位移延性和耗能能力.试验研究结果表明:配桁架式钢骨较只在截面角部配置型钢而肢端配等截面螺纹钢的L形异形柱的受力性能好.     

SCWCBM中钢悬臂优化设计

混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法(SCWCBM)是一种新型的不增设桥墩的箱梁拓宽方法.采用该法加宽后整个结构能协同安全工作的重要前提是确保钢悬臂结构与混凝土后浇隔板间的接触面受力合理,在此前提下,引入拓扑优化理论以指导钢悬臂梁的外形设计,并结合施加预应力的钢悬臂结构的受力特点,推导出保证接触面受力合理的横向体外预应力筋位置的理论范围的解析式.最终提出基于钢-混凝土接触面受力问题的钢悬臂优化设计思路:先对钢悬臂的外形进行拓扑优化计算,再利用推导出的解析式求出横向体外预应力筋位置的理论范围,随后进行接触面加劲肋的细部设计,最后验算接触面应力.按照该思路进行SCWCBM中钢悬臂优化设计可以减少不必要的试算次数,节约计算资源,为SCWCBM的推广提供理论支持.     

基于拟满内力遗传算法的方钢管混凝土桁架结构拓扑优化

为了解决方钢管混凝土桁架结构离散变量拓扑优化问题,通过遗传算法随机生成初始拓扑构形,采用启发式算法检查并修正拓扑构形;以方钢钢管截面型号、拓扑变量、混凝土强度等级为优化变量,以结构造价最低为优化目标,建立基于独立拓扑变量的拓扑优化数学模型,提出一种基于拟满内力遗传算法的方钢管混凝土桁架结构拓扑优化方法;拟满内力遗传算法初始总群中部分个体由拟满内力算法的优化解产生,并且将拟满内力算法作为算子加到遗传操作后运行;同时对传统遗传算法的罚函数进行改进,提高遗传算法运行效率;通过算例对12杆桁架结构优化前、后模型及拓扑优化结果进行对比。结果表明：相对于拟满内力算法与遗传算法,所提出的方法应用于方钢管混凝土桁架结构拓扑优化总造价更低;拓扑优化后的结构杆件较少,并且各杆件均已充分发挥承载能力,拓扑优化效果明显改善。