汽车转向节静动态特性分析与多目标拓扑优化

为使复杂工况下运行的SUV汽车在满足各项性能要求的基础上实现轻量化,以汽车转向节为研究对象,利用变密度连续体结构拓扑优化与折衷规划法相结合来建立多目标优化函数模型,利用层次分析法确定各子目标的权重,进行多目标拓扑优化,得到了材料的理想分布.优化前后的转向节静动态特性对比分析表明,采用多目标拓扑优化方法设计的汽车转向节在轻量化的基础上提高了其结构的刚度和固有频率,实现了多目标同时优化.     

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.     

电解铝专用摩擦焊机床身性能分析及优化

以预焙阳极专用摩擦焊机样机床身为研究对象,应用ABAQUS有限元软件对机床进行静动态分析,分别得到床身的最大应力、应变及1~6阶固有频率和动态载荷下的应力与应变.以摩擦焊机床身设计空间的体积比为约束条件,以床身前三阶特征值为优化目标,建立基于SIMP法材料插值方法的单目标拓扑优化数学模型,利用OptiStruct软件进行优化.优化结果表明床身前六阶频率得到提高,同时床身质量下降,实现了单目标拓扑优化.     

双伺服动力刀架刀盘优化设计及分析

为提高AK33125动力刀架刀盘的动静态特性,对其进行多目标优化设计。利用ABAQUS对原刀盘进行静力学及动力学分析,通过静态加载试验可得实际弹性变形量与仿真结果误差为7. 5%,表明所建有限元模型合理。基于正交试验方法改变刀盘结构参数进行9次仿真分析,提取刀盘的最大弹性变形量,建立其与刀盘相关结构参数的数学模型,并利用MATLAB优化工具箱在质量驱动下,对刀盘进行结构参数优化。对优化后刀盘动静态特性分析,刀盘的最大弹性变形减小了9. 43%,一阶固有频率增大了48. 39%,质量减少了26. 77%,表明了对动力刀架刀盘优化的合理性,并为相关结构的优化设计提供一定的理论参考。     

基于多目标拓扑优化的拖缆机机架结构优化

针对现有船用大型拖缆机结构优化问题,采用多目标拓扑优化方法对大型拖缆机机架进行概念设计。拖缆机机架的优化目标主要有重量、刚度、固有频率3个方面,分别求得各个目标的最优解和最差解,并且利用折衷规划法求出目标函数,实现了复杂工况下的拖缆机机架结构的多目标拓扑优化。经过优化后的拖缆机机架在质量、刚度和固有频率各方面都得到了一定程度的改善。优化结果表明了基于动态和静态的多工况多目标拓扑优化方法在海工装备设计过程中的实用性,为海工装备的结构优化设计提供了理论参考。     

基于计算流体动力学的盾构刀盘开挖面土体分析

针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.     

基于复合优化方法的导向架结构设计

以履带车辆台架试验平台的关键部件导向架为研究对象,结合拓扑优化与多目标优化方法,提出导向架的优化策略.首先,在设计初期为了达到快速减轻其质量的目的,基于变密度法对导向架进行拓扑优化;然后,利用Workbench建立导向架的参数化模型,通过中心复合设计法选取有限元结构分析样本点,并通过样本点和响应值建立最大应力、最大变形及质量的二阶多项式响应面模型;最后,基于遗传优化算法建立以静应力最大变形量、最大应力和质量为目标函数与约束条件的多目标优化模型,实现了导向架的多目标优化.优化结果表明：优化前后导向架性能都有不同程度的改善.     

基于可靠性的结构动态拓扑优化方法

实际工程结构设计往往在确定性范畴内进行,所得结构存在较大失效可能性.基于此,提出一种基于可靠性的连续体动态拓扑优化方法,将结构可靠性分析方法嵌套到连续体拓扑优化中.考虑了结构几何尺寸和材料体积的不确定性,并用高斯分布来度量.将结构可靠度作为约束嵌套到连续体拓扑优化中,属于二次嵌套优化问题,但计算效率低下,不适于工程应用.提出一种解耦策略将结构可靠性分析从连续体拓扑优化中解耦出来,使结构可靠性分析与动态拓扑优化为两个独立的优化循环,大大提高了计算效率.建立以结构基频最大为优化目标,满足一定体积约束和可靠度要求的优化问题,利用各向同性材料惩罚模型(SIMP)和移动渐进方法(MMA)求解该优化问题.所提方法可以得到满足不同可靠度要求的一系列最优结构,并用标准算例验证其有效性.     

面向独立任务的星型网格拓扑结构优化

文中以星型网格应用环境中独立任务周期性调度的研究成果为基础,通过分析网格平台分别处于非饱和态、临界态以及冗余态时的性质,提出了拓扑结构优化方法——静态优化与动态优化,给出了一种星型网格计算能力与资源利用率的度量方法;在静态优化方面,解决网格拓扑结构最优化的判断问题,给出组建最优化星型网格的方法;在动态优化方面,研究了网格拓扑结构动态变化时节点的准入策略;还根据网格计算能力与动态负载的匹配情况,提出了网格拓扑结构动态优化算法.最后给出了网格平台的扩展策略.     

永磁接触器操动机构多目标动态优化设计

针对圆柱形单稳态永磁接触器操动机构的多目标动态优化设计问题进行了研究.首先给出了操动机构的模型和工作原理,以及各个部件电磁设计方法,获得操动机构的初步设计方案.在此基础上,建立了以体积、平均合闸时间和撞击能量为多目标的最优化模型,运用自适应模拟退火算法进行多目标动态优化设计,提高其静动态综合特性.以75 A永磁接触器操动机构为具体优化对象,比较了优化前后的尺寸和优化目标,综合指标优化率为19.0%.不同气隙下的静态力特性计算与实测结果最大相对误差为7.4%,不同合闸相角时的动态特性仿真曲线均与相应实验结果吻合很好,验证了多目标优化设计模型和方法的有效性与正确性.     

冲击载荷下结构拓扑优化设计与动态响应分析

为解决结构动态冲击载荷拓扑优化计算过程复杂、计算效率低,而且难以收敛等问题,建立了一种在冲击载荷下结构的拓扑优化方法. 将双向渐进结构拓扑优化方法和等效静力载荷优化方法相结合,同时将权值法和材料插值模型引入其中. 采用内外双层循环的方式实现了冲击载荷下单相材料和双相复合材料/结构的拓扑优化. 通过两个算例验证了方法的可行性与高效性,并且对优化后的结构进行动态响应分析,分析结果表明与传统方法相比,采用新方法优化得到的结构,在冲击载荷下承载能力更好,说明该方法适用于冲击载荷下结构的拓扑优化设计,且优化流程简洁,计算效率高,优化平稳高效.      

RSS拓补结构机座的动态优化

以燃气轮机透平端RSS(旋转对称支承板)机座为研究背景,通过用D’Alembert原理建立了RSS机座的拓补优化域和等价边界条件,从而实现了用均匀化方法的RSS机座拓扑结构优化,得到了旋转对称的弧形支承板拓扑结构的机座.然后,结合原来RSS机座的机构特征在ANSYS workbench中建立了RSS拓补结构光滑有限元模型,并进行了工作条件下的模态分析,以前三阶模态振型中轴承座的振型作为当量静载荷加载到原模型对比计算,验证边界条件的正确性.以RSS机座弧形支承板的四个关键尺寸为设计变量,以机座的变形量和应力为目标函数,进行了随频率变化的动态优化设计.通过优化改变了RSS拓补结构的动态特性,使固有频率远离了工作频率.     

基于拓扑描述函数的结构拓扑优化设计

提出了一种基于水平集方法的结构刚度拓扑优化设计方法.该方法将结构的边界隐式地嵌入到一个高一维标量函数的零水平集模型中,通过一个Hamilton-Jacobi类型的偏微分方程来控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界拓扑和形状的动态演化.偏微分方程中的法向运动速度依据优化目标函数的形状敏度分析结果建立.用有限元法和有限差分法相结合的方法分别实现弹性平衡方程和Hamilton-Jacobi方程的数值计算,并通过一个典型算例证明所研究方法的有效性.     

基于可靠性的柔顺微夹持机构几何非线性拓扑优化

为减少因制造过程中的不确定性因素而导致的机构性能下降现象,文中给出了一种基于可靠性的柔顺机构几何非线性拓扑优化设计方法.首先,建立增量形式的平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应.其次,考虑几何尺寸及作用荷载大小的不确定性,建立柔顺机构多目标拓扑优化数学模型.目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求;可靠度的概率约束采用一次可靠度方法计算;目标函数灵敏度分析采用伴随求解技术;拓扑优化采用固体各向同性材料插值方法,并用移动渐近方法进行迭代求解.最后,以柔顺微夹钳的可靠性拓扑优化为例进行研究,发现基于可靠性的拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构更合理,说明文中所提方法是正确和有效的.     

导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题

柔性机构中为同时考虑结构的刚性和机构的柔性,研究结构整体柔度最小化和结构输出位移最大化的多目标拓扑优化设计方法.建立基于RAMP插值模型的多目标拓扑优化设计模型,采用伴随敏度分析法进行目标函数敏度分析.将导重法引入到柔性机构拓扑优化问题的求解中,推导出柔性机构多目标拓扑优化问题的迭代表达式.对柔性机构的典型算例进行拓扑优化计算,算例结果表明,基于RAMP插值模型结合导重法求解柔性机构多目标拓扑优化问题具有设计变量少、收敛速度快、优化效率高的特点,上述方法的结合为求解柔性机构多目标拓扑优化问题提供了一条新途径.     

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.     

基于等效静态载荷理论的机床运动部件轻量化设计

为保证机床的加工精度和切削效率,机床的运动部件需要较高的刚度和较轻的质量.以某型号磨床的主轴箱为研究对象,建立包含主轴箱、电主轴磨头和滚珠丝杠等部件的有限元柔性多体动力学模型,运用等效静态载荷理论将柔性多体动力学分析与静态结构优化理论相结合,采用拓扑优化技术对主轴箱进行轻量化设计.与传统静态载荷下的主轴箱结构拓扑优化设计相比,该方法更适用于机床运动部件的结构轻量化设计,优化后的主轴箱结构在保证静动态性能的前提下质量减轻8.5%.     

定梁龙门立式加工中心立柱的特性分析及拓扑优化

立柱作为定梁龙门式立式加工中心主要支撑件,其静动态性能对整机加工精度有着很大的影响,因此传统设计会预留足够大的设计余量来保证立柱具有足够的强度和刚度.此次研究根据龙门立式加工中心立柱的作用及结构特点,建立龙门立式加工中心立柱的实体模型,对其进行静动态特性分析,以结构拓扑优化理论方法为基础,通过有限元分析软件Ansys ...     

汽车变速器壳体多工况自适应性拓扑优化方法研究

为解决汽车变速器壳体多工况拓扑优化适应性问题,提出一种基于折衷规划拓扑优化理论的汽车变速器壳体多工况自适应性拓扑优化思路.以某前横置变速器壳体为研究对象,以刚度最大、柔度最小为优化目标,借助Hyperworks分析软件,开展变速器壳体折衷规划自适应拓扑优化设计方法研究.经有限元分析验证,运用折衷规划拓扑优化方法形成的变速器壳体结构设计模型,在一/倒档两典型工况下的目标函数都逐渐收敛于最小值,各档位柔度均达到最小,可同时满足汽车各工况下变速器壳体强度可靠性要求.应用实践表明,折衷规划拓扑优化法是一种有效解决复杂结构体多目标优化问题的可行方法.     

考虑位移约束的功能梯度结构ICM拓扑优化方法

基于独立连续映射方法(Independent Continuous and Mapping,ICM),实现功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)结构的拓扑优化设计.通过引入过滤函数,构建FGM-ICM材料模型.结合梯度位移函数,建立以结构质量最小化为目标、以位移为约束条件的功能梯度材料结构拓扑优化近似显式模型.采用线性衰减的过滤方法避免棋盘格现象和网格依赖性问题.另外,为得到边界清晰的拓扑构型,设计拓扑变量阈值动态调整策略(Dynamic Adjustment Strategy for Variable Threshold,DASVT),消除了拓扑变量阈值取值的盲目性.通过数值算例验证了该方法的可行性和有效性,最终实现了功能梯度材料结构ICM拓扑优化设计.