基于工况风险评估的叉车门架多工况拓扑优化

以某3T型内燃叉车的标准门架为例,实现了典型工况下门架系统的整体非线性有限元分析;基于工况数据（工作时长、结构应力及形变位移）,提出了工况风险评估方法及工况风险指标（RI）的概念;依据工况风险指标,提出了一种分配多工况拓扑优化权重系数的方法;采用折中规划法,以多工况下门架加权柔度最小为目标函数对门架结构进行拓扑优化;根据优化结果对门架结构进行改进设计,并进行了有限元分析。研究结果表明：风险评估法较传统平均分配法能得到更优的目标值;与原门架结构相比,新门架结构在3种典型工况下的最大应力分别减小10.05%、10.25%和1.58%,最大位移分别减小13.17%、12.93%和8.28%,质量减小7 kg。     

MM52160龙门导轨磨床立柱的拓扑优化

对MM52160龙门导轨磨床的立柱部分进行结构拓扑优化.建立立柱三维模型,对其进行静力学分析和模态分析.在原有模型不改变质量的情况下进行简化模型,结果表明：简化模型比原模型的最大静态位移减小了2.42 μm,第一阶固有频率提高了2.85％.对篱化模型进行拓扑优化,查看材料分布.对优化后的结构进行动静态刚度分析,分析结果表明：优化后的结构对比原模型后最大静态位移减小了0.81 μm,第一阶固有频率提高了3.72％,质量减少了15％.通过结构拓扑优化,优化后的结构动静态刚度提高了,质量减少了.     

微电容加速度计结构的热固耦合拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,建立了热固耦合场结构的有限元控制方程;通过伴随矩阵方法,研究了热固耦合场的敏度分析问题;以叉指式微电容加速度计质量块受热膨胀后,在加速度检测方向的最大形变不大于某一给定值为目标,以质量块的体积比为约束条件,建立了质量块结构的热固耦合拓扑优化模型;采用优化准则算法进行迭代求解后,得到了微电容加速度计质量块的最优拓扑形式,当工作温度在0～300℃范围内变化时,该拓扑形式在加速度检测方向的最大形变仅为23.9nm。     

精密卧式加工中心立柱综合性能优化设计及分析

为提高精密卧式加工中心立柱的综合性能,采用拓扑优化与多目标参数优化相结合的系统优化方法对立柱进行分析及优化。利用ANSYS计算并分析了原始立柱的质量和静、动态性能。以立柱的刚度最大为目标,采用拓扑优化技术研究立柱的载荷传递路径。基于拓扑优化结果,分别以立柱的最大振幅和质量最小为优化目标,以立柱的最大静应力和最大静变形及质量不大于原始立柱相关参数为约束,对立柱进行多目标参数优化设计,确定了最佳结构和最佳参数的立柱。其与优化前相比:质量降低6.1%、静刚度和强度提高10%以上、各轴的最大振幅分别减小29.5%、26.7%、9.2%、最小动刚度分别提高43.5%、36.8%和8.8%。     

大型振动筛侧板加强筋拓扑优化布局研究

为了优化大型振动筛侧板加强筋的布局,提出一种基于拓扑优化的侧板加强筋布局方法。建立以侧板刚度最大为目标的侧板加强筋布局的拓扑优化模型,根据拓扑优化所得伪密度分布云图对加强筋重新布局。对优化前后侧板进行模态分析和谐响应分析对比。与原侧板相比:新结构侧板的动应力下降56.5%,振动位移下降55.3%,一阶固有频率提高72.03%,各阶固有频率有效远离工作频率。     

抓取机械臂的强度分析和优化设计

以DOBOT Magician机器人机械臂为研究对象,为降低其质量,减少材料消耗,采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方法对其结构的优化设计进行了研究。首先使用建模软件建立三组机器人小臂的参数化模型,将其导入Workbench中进行应力分析和弯曲刚度分析,对三组结果进行对比分析确定危险工况。然后以质量、变形和应力为目标参数对危险工况下小臂的参数进行灵敏度分析,得到对目标参数影响最大的参数,并以这些参数为设计变量,采用响应面优化方法和拓扑优化方法对小臂代理模型进行尺寸和结构优化。优化结果表明：在保障精度和强度的前提下,通过对小臂的轻量化设计,使其质量降低了32.8%,最大应力值降低了21.1%,最大变形减小了24.3%,弯曲刚度增加31.8%,成功实现了小臂的轻量化。同时,该研究也为类似的优化设计提供了一种可行的实施方案流程。     

基于ANSYS Workbench 5000 KN摩擦焊机旋转夹具的优化

基于ANSYS13.0 workbench的APDL参数化语言,以5 000 k N摩擦焊机的旋转夹具为研究对象,建立有限元模型,对旋转夹具进行拓扑优化分析和静力学分析,得到钢爪体的等效应力和位移云图,并以质量最小、最大等效位移、最大应力为约束条件,设计优化参数,求解最优参数组合,以达到既满足强度要求又用料最省。     

大型升船机船厢门有限元优化设计

构建了某大型升船机弧形船厢门Ansys有限元模型,定义了16个参数化设计变量。采用最优梯度法,分析了各参数化设计变量对结构质量、最大VonMises应力、最大综合位移及结构第1阶固有频率的灵敏度,筛选了设计变量,评估了状态变量的变化趋势。以船厢门质量为优化目标,以船厢门结构应力、位移及结构第1阶固有频率为状态变量,采用子问题近似法进行有限元优化计算,得到了1组圆整的结构设计参数,满足结构刚度和强度要求,总质量降低22.19%,第1阶固有频率提高4.4%。     

GMCU2060龙门加工中心横梁的结构优化设计

基于HyperMesh平台,采用密度拓扑优化方法,以应变能最小为目标,以体积分数、位移为响应建立结构拓扑优化模型,运用该模型完成GMCU2060龙门加工中心横梁横截面的拓扑优化设计,然后利用尺寸优化方法得到横梁的最优尺寸,建立横梁的三维模型,并对其进行动静态分析.分析结果表明：在最大位移几乎不变的情况下,改进后的横梁质量减少了7.5％,一阶固有频率由104 Hz提高到120Hz,满足设计指标要求.     

基于变密度法的大型天线系统支撑结构优化设计

大型天线支撑结构的合理设计对满足系统刚强度、轴系精度具有十分重要的意义。基于变密度法的拓扑优化方法根据约束条件和目标函数确定结构内材料最优分布,是合理进行支撑结构内部加强筋设计的一种行之有效方法。推导了以位移为约束,结构质量为优化目标变密度拓扑优化模型;针对某大型天线系统的支撑结构原设计方案中质量较大、结构内加强筋设计不合理出现局部应力集中等问题,设计该结构的三维拓扑优化域,运用该模型以天线系统允许的最小变形为约束条件,以质量最轻为目标进行三维支撑结构的拓扑优化设计,结合载荷传递路径,提出大型天线系统支撑结构内部加强筋设计方案,并采用尺寸优化方法对支撑结构外表面的上支架、底座等位置的板筋厚度进行优化,确定了支撑结构的最终优化方案。经验证,该结构在原方案的基础上减重12.5%,且有效地改善了力传递特性,消除了应力集中现象。     

基于拓扑优化方法的机床立柱轻量化设计

以某型机床立柱为研究对象,开展了立柱结构的轻量化研究工作。首先,利用Hyperworks软件对立柱结构进行静态和动态特性分析,得到立柱在切削力工况下的应力、变形位移云图、固有频率、振型以及频率位移响应曲线;然后,采用变密度法以柔度最小为目标函数进行拓扑优化,根据拓扑优化云图得到立柱内壁的筋条排布形式;接着,提取加筋板的中面并建立2D模型,进行尺寸优化设计,得到加筋板的最优厚度尺寸;最后,将优化模型与原模型进行力学性能对比分析。优化结果显示:基于拓扑优化方法的机床立柱可在减轻重量的同时提高其静、动态特性。     

LNG车载气瓶支架的轻量化设计

以某半挂车储气瓶支架作为研究对象,使用有限元仿真软件对其开展了刚度及强度计算,并根据计算结果运用变密度法对支架结构进行了拓扑优化,最终根据拓扑最佳优化结果建立了新的支架模型并二次分析验证其有效性。在此基础上,以各杆件壁厚作为设计变量,以最小质量、强度、刚度为目标条件,运用响应面法筛选出支架各杆最优厚度组合。优化后的模型相比原模型最大应力、最大变形量及质量都有所减少,表明拓扑优化结合尺寸优化组合是一种非常有效的轻量化优化方法。     

摆线齿轮成形磨削机床立柱的多级优化研究

针对摆线轮成形磨床立柱优化过程中的复杂性,提出一种综合拓扑优化、结构仿生、尺寸优化的多级多目标优化设计方法,实现了立柱质量、一阶固有频率、最大应力及变形位移综合目标优化。以应变能最小为目标函数,以体积分数为约束,采用拓扑优化设计方法,确定了复杂载荷下摆线轮成形磨床立柱材料的最佳分布。以王莲叶脉和芭蕉叶柄为仿生目标,采用结构仿生优化设计方法,在立柱内部仿生空间设计仿生筋板,最大限度提升立柱整体性能。采用响应面模型遗传算法对立柱内部复杂结构尺寸进行优化,得到尺寸最优解。结果表明：在受载相同的情况下,优化后的立柱质量减轻18.4%,立柱最大应力减少23.6%,变形位移减少0.6%,一阶固有频率有所提升。     

基于宽容分层序列法的机载控制台拓扑优化设计

基于拓扑优化的宽容分层序列法理论,在Hyper Work软件平台对机载控制台下台体进行概念设计阶段的拓扑优化。以下台体刚度最大为优化目标,以单元密度为设计变量,体积分数为约束条件进行拓扑优化获得初步结果,然后增加设计宽容值重新建立拓扑优化设计空间,并以下台体第1阶频率为优化目标,以体积分数和频率响应位移作为约束条件进行第2次拓扑优化。经过多目标拓扑优化所得模型,材料密度分布均匀,拓扑结构清晰。局部调整拓扑优化布局结果并采用参数化建模技术获得控制台台架的概念设计模型,为后续机载控制台的结构灵敏度分析提供依据。     

龙门加工中心横梁部件的拓扑优化设计与分析

提出一种应用结构拓扑优化方法,对龙门加工中心横梁部件的纵、横截面的筋肋分布形式进行拓扑优化的优化方法.利用优化的截面形状建立横梁的三维模型,并对优化后的横梁部件模型进行动、静态特性的有限元分析.分析结果表明优化后的横梁结构质量减轻6%,最大变形量为原设计的50%,一阶共振频率提高51%.该方法可为大型结构件的优化设计提供有益的借鉴与参考.     

高海拔汽车试验舱体结构优化研究

针对高海拔汽车试验舱体结构存在质量过大,舱体在极端工作情况下发生失效的问题,以中间段测功舱为研究对象,对其主体结构静态和动态性能进行了研究。提出了以测功间舱静态载荷下刚度最大和动态低阶固有频率最大为目标,采用折衷规划法和平均频率法定义多目标函数进行了结构拓扑优化,得出了其结构的单元密度图,找出了舱体结构的薄弱环节;对拓扑优化后的舱体构型进行了重新布局,通过构建尺寸参数的数学优化模型,对关键尺寸加强筋厚度及蒙皮参数进行了尺寸优化。研究结果表明:优化后的测功间舱体结构质量减少10.9%,前三阶固有频率增长6.2%～7.8%,最大变形量减少13.6%,虽然最大等效应力增加24%,但各项指标仍满足测功间舱工作情况设计要求,最终实现了优化目的。     

地震载荷下家用救生舱的瞬态动力学分析

针对家用救生舱舱体的整体抗震性能对其结构稳定性及舱内人员安全的直接影响,利用ANSYS Workbench有限元软件对一种家用救生舱的舱体进行了瞬态动力学分析,得到了舱体位移形变云图。借助于位移形变云图分析地震过程中舱体的最大位移形变以及响应的时间点,判断舱体是否满足设计要求,找出了舱体的薄弱环节并提出了改进意见。建立了一个多目标优化设计模型,将救生舱舱体厚度、加强筋尺寸作为优化变量,将救生舱质量、最大等效应力和最大总形变量作为优化目标,利用Pro/E与AWE协同优化技术对舱体进行了优化,并对优化后的救生舱重新进行了瞬态动力学模拟分析。研究结果表明,优化后的救生舱整体强度和刚度均得以提高,对家用救生舱的设计和抗震能力的评价具有理论指导意义。     

多相材料的柔性机构拓扑优化设计

基于变密度法建立了多相材料的插值模型,并建立了以结构输出点位移最大为目标、材料体积为约束的多相材料柔性机构拓扑优化数学模型。运用移动渐近线方法对微型柔性夹钳设计开展拓扑优化并对结果进行分析。结果表明:基于多相材料的柔性机构拓扑优化方法能大幅降低拓扑结构的最大应力水平,但也一定程度上减小了结构输出点的位移。整体而言,该方法具有可行性,能有效解决工程中遇到的因应力过大而导致的结构失效问题。     

基于区间可能度的区间参数桁架结构多目标拓扑优化

研究区间参数桁架结构在应力和频率约束下的多目标拓扑优化问题,即构建区间参数桁架结构的多目标拓扑优化模型,以各杆截面面积和拓扑逻辑变量为设计变量,结构总质量和结构最大位移上限最小为目标函数,满足单元区间应力可能度、区间频率可能度为约束条件.利用泰勒展开和函数的区间扩张导出应力、位移和频率响应的区间包,采用基于个体排序的Pareto 遗传算法求解其有约束多目标优化问题.两个数值算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和有效性.     

内燃机活塞点阵结构可靠性拓扑优化设计

针对内燃机活塞轻量化设计问题,提出一种基于可靠性拓扑优化的活塞点阵结构设计方法,分解为可靠性分析和确定性拓扑优化两部分分别进行求解。考虑以最小化质量为目标函数、最大应力为约束条件,建立活塞点阵结构可靠性拓扑优化数学模型。根据一次二阶矩方法将失效概率约束转变为可靠性指标约束,进而将随机变量转化为标准正态变量,根据随机变量相对于性能指标的敏度信息,进行随机变量修正并进行确定性拓扑优化设计。最后,以某型发动机活塞为例,进行确定性点阵设计与可靠性点阵设计对比研究。结果表明,相较于确定性设计,可靠性活塞点阵模型在考虑随机变量的影响下,性能更加可靠;且其质量相较于原活塞模型降低11.8%,满足活塞轻量化的设计需求。