考虑横截面形状和几何尺寸的弹簧优化的两步式策略

针对弹簧优化设计中理论公式设计局限性大和有限元方法对多变量和多约束的优化设计效率低的问题,提出了一种考虑横截面形状和几何尺寸的弹簧优化的两步式策略。该策略利用密圈弹簧的理论计算公式结合多起点搜索方法对弹簧几何尺寸进行优化;采用有限元方法建立可以考虑截面形状变化的弹簧模型,用几何尺寸最优解为初值,采用零阶方法同时对截面形状和几何尺寸进行优化获得最优解。仿真结果表明:两步式策略能同时考虑横截面形状和几何尺寸进行弹簧优化设计,拓展了弹簧的设计范围;通过将两步式的优化策略结果与直接进行基于有限元方法的优化结果相比发现,优化时间减少了55.86%,两步式策略效率较高,降低了有限元优化的迭代次数;优化目标提高了14.31%,改善了出现局部最优解的情况。     

考虑应力叠加的矫直行程预测模型研究

为提高精密矫直加工精度及效率,探讨多次矫直过程中应力叠加特性,研究多次矫直行程预测迭代建模方法.首先,基于经典弹塑性变形理论,建立单次矫直行程预测理论模型;运用应力叠加原理,研究二次矫直的截面应力分布状态,推导出二次矫直时截面应力的再分布方程及矫直参数解析表达式;在此基础上,研究多次矫直过程中的矫直次数-应力演变规律,建立考虑应力叠加的多次矫直行程预测迭代模型.采用自主研发的精密矫直机进行在线矫直实验,进行行程预测模型实验对比.实验结果表明:实际矫直过程中,多次矫直行程预测迭代模型的预测精度和矫直效率优于未考虑应力叠加作用的单次矫直行程预测理论模型,该方法可推广应用于直线金属条材的精密矫直中.     

柔性板弹簧槽端封闭曲线的形状优化

基于有限元分析的形状优化算法,构建圆的渐开线型柔性板弹簧的有限元模型.以最小应力集中系数作为优化目标,最小应力值作为参变量,并分别以椭圆方程和阿基米德方程作为工具曲线确定形状控制参数,对板弹簧槽端封闭曲线进行形状优化.计算结果表明:最显著降低应力集中系数和最大应力的是经修正的外偏型阿基米德线封闭曲线,其次是椭圆弧线;优化计算结果与实验结果符合较好,表明所采用的柔性弹簧形状优化方法有效.     

钢板弹簧重叠部分应力及许用厚度计算理论的研究

为满足叠加钢板弹簧解析拆分设计及CAD软件开发的要求,根据叠加钢板弹簧的力学模型,对钢板弹簧重叠部分等效厚度进行研究,并利用各片变形量、厚度与载荷之间关系,建立叠加钢板弹簧重叠部分等效厚度解析计算式.根据重叠部分等效厚度解析计算式和单片等效钢板弹簧应力公式,建立叠加钢板弹簧重叠部分应力及最大应力解析计算式.根据重叠部分的应力解析计算式和许用应力,建立许用厚度解析计算式.最后,通过实例对钢板弹簧重叠部分应力及许用厚度进行解析计算和ANSYS仿真验证.结果表明所建立的叠加钢板弹簧重叠部分应力及许用厚度的解析计算理论是正确的.     

静态下螺旋弹簧托辊的特性分析及参数优化

本文对螺旋弹簧托辊的力学模型,利用计算机算出了弹簧托辊各截面的应力分布规律及纵向变形规律,推导出了弹簧托辊在受径向力时的挠曲线方程,并通过实验以加验证;推导出了以保证物料动安息角等为约束函数,以弹簧质量最小,运输量最大为目标的目标函数方程;编制了计算机优化程序,并利用模糊优化方法对弹簧托辊各参数进行了优化设计。     

极板快速干燥机风道流场的数值模拟和优化

极板快速干燥机是蓄电池生产工艺中的重要设备.为提高干燥效果,采用Solidworks软件,建立风道形状、出风风道几何计算模型,分析风道流场,提出优化方案,为实际生产提供可靠依据.结果表明,梯形风道与矩形风道相比,变截面设计可以提高出风风道两侧末端出风口风速;在出风风道模型中,合理的导流板位置可以提高出风口风速的大小并改善其均匀性.     

焊接π形截面残余应力试验及分布模型

为研究焰切边焊接π形截面钢构件残余应力分布形式及大小,采用分割法对5个不同尺寸的Q345Bπ形截面构件进行试验研究.通过测得的截面各板件残余应力,分析了板件宽厚比对残余应力分布的影响及各板件残余应力的自平衡性.研究结果表明:π形截面构件翼缘、腹板残余压应力与板件宽厚比有直接关系;焊缝附近残余拉应力与板件厚度有关,与板件宽厚比相关性不明显;π形截面3块板件的残余应力分别满足自平衡性.提出了适用于不同尺寸的π形截面构件残余应力分布模型及计算公式,可为π形截面构件的进一步研究与应用提供参考依据.     

火灾后预应力混凝土连续板力学性能试验与分析

完成了7块火灾后两跨无黏结预应力混凝土单向连续板受力性能试验.基于试验结果,拟合出火灾后预应力混凝土连续板中无黏结筋剩余应力、极限应力的计算公式,提出了火灾后预应力混凝土连续板正截面承载力计算公式.根据火灾下温度场分布沿板厚方向将截面分条带,引入火灾后钢筋、混凝土本构关系,基于截面轴力、弯矩平衡,获得了火灾下预应力混凝土板任意截面的弯矩-曲率关系全曲线.基于支座变形协调方程,可用割线刚度法对支座反力进行迭代求解,计算板在外荷载(曲率荷载)与支座反力共同作用下的弯矩、挠度和支座位移,进而对截面曲率积分可求得连续板的变形.试验结果表明:初始有效应力越高、受火时间越长,火灾后连续板预应力钢丝应力损失越严重;保护层厚度越小、受火时间越长、荷载水平越大,火灾后板跨中截面承载力降低幅度越大;受火时间越长、荷载水平越大,板中支座截面承载力降低幅度越大.     

甲醇合成塔管板有限元分析及优化

借助ANSYS软件,对甲醇合成塔的7种工况进行应力分析和安全评定,并通过改变管板与壳体连接过渡圆角对管板进行优化分析.结果表明,最大等效应力均出现在几何形状不连续处;热应力是影响管板应力的主要应力,由于热应力的影响,含温度载荷的工况等效应力数值较大;对7种工况进行应力评定,评定结果均为合格;并针对工况5通过改变过渡圆角半径进行优化,明显改善了管板的应力分布状况.所得结论对甲醇合成塔的应力评定和优化分析有一定的参考价值.     

铝合金挤压型材淬火模拟研究及工艺参数的改进

为了解决"U"形铝合金型材在喷水淬火过程中因冷却速度不均匀而导致型材截面变形的问题,基于FLUENT和ANSYS-WORKBENCH软件平台,建立了"U"形挤压型材在喷水冷却过程的有限元模型.分析了3种不同喷嘴速度大小方案下型材淬火冷却过程的温度场、残余应力和变形等变化规律.结果表明:经工艺参数优化后,型材截面上不同部位喷嘴速度大小设计更合理,淬火冷却过程中型材的温度场和等效应力分布更均匀,最大等效应力最小,型材的变形最小.通过有限元分析能较好地改进型材淬火冷却过程中喷嘴速度大小及分布,为实际挤压生产过程提供指导.     

液压机下横梁结构拓扑的进化结构优化

针对传统的形状尺寸优化方法难于获得全局最优解的问题,应用基于应力突变率的双向进化结构优化(BESO)算法对传统三梁四柱式液压机下横梁进行结构拓扑优化,分析进化历程和参数指标.算法实现了液压机下横梁最优结构拓扑和形状尺寸优化的一致,获得了合理的液压机下横梁新型拓扑结构.有限元分析对比表明,新结构实现了结构最大应力最小化和应力分布均匀化,提高了材料利用率.     

不同滑环槽形对组合密封结构性能影响分析

针对深海装备在深海高压环境下安全稳定运行的需要,基于非线性有限元接触理论,利用有限元分析软件ABAQUS建立组合密封结构的二维轴对称有限元模型,分析了不同滑环槽形对O形圈和滑环的最大Von Mises应力与接触应力的影响.结果表明:在不同的滑环截面形状下,O形圈的最大Von Mises应力位于滑环与沟槽之间的间隙处,且当滑环截面为矩形槽时,O形圈的最大Von Mises应力值相对比较小,同时不同滑环槽形对O形圈接触应力的影响非常小.相比较于其他滑环截面形状,滑环截面为矩形槽时所受的最大Von Mises应力与接触应力主要集中在滑环的第一个槽形口处,接触压力分布比较均匀,且接触压力变化曲线呈"三角形"分布,满足密封理论要求,有利于提高组合密封结构的密封性能,在高压环境下选用滑环截面形状为矩形槽时密封效果会更好.     

均匀设计在结构优化中的应用初探

在有约束的结构优化设计问题中引进均匀设计方法,并对其进行一定的改进,提出了余表的构想,同时用均匀设计的思想优化体积约束条件下受均布横向荷载作用的变厚度方板的刚度问题.结果表明,与同条件下的均厚度板相比,受均布横向荷载作用的四边简支方板最大挠度值降低了44.66%,四边固支方板最大挠度值降低了75.63%.因此均匀设计的思想可用于结构优化设计.     

不同摩擦系数的少片变截面钢板弹簧性能分析

采用不同材料的板簧垫片,簧片间摩擦系数亦有所不同,因此设计钢板弹簧时仅考虑钢与钢的接触摩擦将造成其性能分析结果的不准确.针对这一问题,利用ANSYS软件的接触非线性功能,对少片变截面钢板弹簧的等效应力及刚度特性进行分析,得到不同摩擦系数下的VonMises应力分布和载荷-变形曲线,重点讨论了摩擦系数对钢板弹簧应力及刚度特性的影响;同时对钢板弹簧进行相应的性能试验.结果表明:少片变截面钢板弹簧的应力计算值和测试值误差较小,刚度仿真计算值和试验测量值基本吻合,相对误差小于5%,说明有限元分析能精确地模拟各簧片间的接触和摩擦问题,真实反映钢板弹簧的受力和变形情况,可用于研究簧片间不同摩擦系数对钢板弹簧应力及刚度特性的影响.     

基于仿真的选区激光熔化工艺结构变形补偿设计优化

针对选区激光熔化工艺中残余应力造成的变形缺陷问题，介绍了一种基于有限元仿真的选区激光熔化工艺的结构变形补偿设计优化方法.以螺旋桨结构成型为例，首先建立了宏观尺度上基于有限元方法的热-力耦合仿真模型，然后分析了成型零件中的残余应力与变形分布规律，并提出了利用变形场反馈调整零件设计的几何结构的方法，通过多次反馈迭代，实现了成型后零件变形几何与期望几何之间的形状误差逐步减小.数值试验结果表明:经过变形场反馈调整4次，成型后的螺旋桨结构相较于期望几何结构的最大形状误差下降了94%；同时也发现，设计迭代过程中，零件成型后的残余应力与实际变形基本不变.      

计算强度条件时应综合考虑的因素及合理截面的正确放置

在利用正应力公式V=My/I_(?)计算梁的正应力时要综合考虑梁的材料性质——即塑性还是脆性,一些脆性材料(如铸铁)它们的抗拉强度和抗压强度不一样,梁的截面形状——有些截面(如T宇型)它们的中性轴到截面受拉、压的两边缘距离不相等,梁的最大弯矩值的符号——在梁的全长范围内,最大正弯矩和最大负弯矩的绝对值不相等。只有在综合考虑上述三方面因素后,才能找出危险截面上的危险点的应力,进而设计出合理的截面并能正确放置。     

基于改进天鹰优化器的抱杆结构优化

为了提高抱杆设计的安全性和经济性，提出一种基于改进天鹰优化器的抱杆结构优化方法。根据抱杆工程实例，建立轻量化设计模型。将角钢杆件的截面尺寸作为优化变量，采用罚函数法处理许用应力，位移和屈曲系数三种约束条件。为了解决天鹰优化器局部搜索能力不足的问题，使用混沌映射进行种群初始化，使首代种群在搜索空间内分布更加均匀，并引入新的平衡方式使算法在迭代后期仍具有全局搜索能力，同时加入非线性参数增强局部搜索能力，引入反向学习策略增强算法摆脱局部最优的能力。十杆平面桁架结构尺寸优化算例结果验证了改进算法具有更好的寻优能力。抱杆结构轻量化设计结果表明，改进的天鹰优化器提供的设计方案更佳，抱杆质量减轻了16.55%。改进天鹰优化器能够有效处理平面桁架和空间杆系结构的优化设计问题。     

两片变截面式渐变刚度钢板弹簧的轻量化设计

建立两片变截面式渐变刚度钢板弹簧模型,运用MATLAB优化工具箱对某轻载货车钢板弹簧进行满足应力要求前提下的优化,使其所使用的板簧材料最少,并利用ANSYS有限元分析软件验证其性能.结果表明:在应力满足要求的前提下,优化后的两片变截面式渐变刚度钢板弹簧,质量减轻了44.16%,且仿真的刚度值与数值计算刚度值基本一致.     

不同力学边界下变物性梯度功能材料板稳态热应力

用非线性有限元法和辛普生法分析了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板在不同力学边界条件下的稳态热应力问题.结果表明:当无限长板只能伸长、不能弯曲时,板内稳态拉应力最大,比无限自由长板时板内最大拉应力增大 6.1倍;当无限长板伸长、弯曲受限时,板内的压应力最大,比无限自由长板时板内最大压应力增大14.9倍;考虑变物性的最大拉应力比常物性减小48.9%,最大压应力比常物性减小39.6%;此外,材料组分形状系数M、对流换热系数和孔隙度的变化对不同力学边界条件下该变物性材料板稳态热应力场的影响显著.此结果为该材料的设计和应用提供了准确的理论计算依据.图4,表1,参8.     

后结合预应力组合梁桥的抗裂性能试验

为研究后结合预应力组合梁桥的预压应力分布和负弯矩区抗裂性能，设计2根连续组合试验梁，其中一根为负弯矩区设计成全预应力混凝土板的后结合组合梁，另一根为无预应力的普通组合梁。测试了试验梁在张拉预应力筋和静力加载过程的受力性能，得到负弯矩区截面的应力状态和裂缝分布。试验表明：因钢梁和混凝土板不连接，预压应力由混凝土板承担且混凝土截面的预压应力沿着横向的分布不均匀。后结合预应力组合梁的初始开裂荷载和群钉孔外的开裂荷载分别是普通组合梁的3.1和5.0倍。后结合预应力组合梁抑制裂缝沿着横向贯穿混凝土板，提高了负弯矩区的抗裂性能。混凝土平均裂缝间距约等于横向钢筋间距。后结合预应力组合梁在开裂后的受力状态与普通组合梁类似。