变密度法在气缸体轻量化设计中的应用

将变密度拓扑优化方法应用于发动机气缸体轻量化设计中.以气缸体上施加最大爆发压力工况下的载荷为边界条件,以气缸体总柔度最小为优化目标,以气缸体体积比为约束条件,以单元密度为设计变量,对气缸体进行拓扑优化.对优化后的结构重新建模,分析了在最大爆发压力工况下的应力分布.结果表明,气缸体质量减轻了5 kg,最大主应力与优化前相当,整体应力分布更加均匀,达到了等强度设计的目的.将变密度法应用于气缸体的等强度轻量化设计,有助于确定气缸体的最佳形状,并减少重复设计验证的次数.     

基于Von Mises应力的预应力钢结构拓扑优化设计

为预应力钢结构设计获得最优拓扑构型和索力值,以结构拓扑和索力值为设计变量,以Von Mises应力为约束条件,建立了以结构质量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在结构上的索力值,然后采用渐进结构优化法删除低Von Mises应力单元实现结构的拓扑优化以减轻结构质量.算例结果与相应体系受力性能相吻合.     

不压井井口装置的结构优化设计

采用拓扑优化和尺寸优化对不压井装置进行结构优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计不压井装置结构。利用最终得到的不压井装置的拓扑结构建立新的有限元模型,利用尺寸优化工具,以最小质量为优化目标,最大位移与最大应力为约束条件,实现不压井装置的减重。通过综合两种优化方法,不仅提高了不压井装置的性能,而且大大降低了不压井装置的质量,为工程结构提供了一种新设计思路。     

发动机连杆形状优化

采用边界元法与罚函数优化方法相结合，研究了承受拉、压交变载荷的发动机连杆的形状优化．文章分别以连杆应力集中区各点应力幅值最小为目标，以结构重量不超过原结构重量为约束条件．以及以结构重量极小为目标，要求各点应力幅值不超过某数值进行连杆优化。计算结果表明，两个方案的效果是相同的．其最优形状与原连杆形状相比作了重大改进，在重量不变的情况下，最大交变应力幅值下降了百分之十七     

外骨骼机器人膝部三铰点零件轻量化研究

为了满足康复训练外骨骼机器人的结构轻量化要求,提出了拓扑优化与响应面法相结合的结构优化方法,通过对某康复训练外骨骼机器人膝部三铰点进行了轻量化研究与多目标优化设计,利用拓扑优化工具对其零件进行初步优化,然后以质量、最大位移及最大极限应力为目标,以零件尺寸为设计变量,进行多目标优化设计。结果表明,在满足刚度和强度的前提下,2次优化后的三铰点零件质量减轻了26.14%,为康复训练外骨骼机器人的轻量化与实用性研究,提供了新的途径。     

基于最大正应力的水轮机顶盖轻量化优化设计

顶盖是水轮机中起承载和过流双重作用的重要部件.以混流式水轮机顶盖为研究对象,建立有限元模型,对其强度、刚度和动力特性进行仿真分析.以最大正应力和刚度两种设计指标作为约束条件,对顶盖进行以质量最小为目标的优化设计,提出轻量化目标优化方法.根据仿真分析结果,确定顶盖结构改进方案.优化后顶盖的最大应力及最大位移均有所降低,各阶固有频率相应提高,动力特性得到明显改善.轻量化优化设计使水轮机顶盖结构的质量减轻250 kg,减重率达13. 2%,实现了轻量化目的.     

指定拓扑基结构形状的任意泊松比超材料设计

将超材料设计的功能基元拓扑优化法拓展到任意泊松比超材料设计中,探讨功能基元的不同初始拓扑基结构对最终超材料设计结果的影响。以指定泊松比为约束条件,以功能基元质量最小为目标,建立了超材料拓扑优化设计模型。功能基元初始拓扑基结构的形状包括含孔与无孔矩形、三角形、圆形和圆环形等。提出采用轻量化效果与构型稳定性概念对优化结果进行评价,包括能否优化得到具有指定泊松比的功能基元和优化后不同泊松比功能基元几何形状的相似度。结果表明,该方法可以快速获得指定泊松比超材料构型,其中含孔或圆形拓扑基结构的材料用量较少,但构型稳定性不佳,三角形拓扑基结构更易获得大泊松比功能基元构型。     

基于畸变比能全局化策略的应力拓扑优化

针对受体积约束的应力最小化连续体结构拓扑优化,提出一种改进的双向渐进结构优化方法. 使用Kreisselmeier-Steihauser函数建立畸变比能的全局化函数,以克服应力优化计算量大的难题. 利用伴随变量法求解单元灵敏度,并引入灵敏度过滤及修正方法稳定优化过程. 双向渐进结构优化方法通过逐渐增加和删除单元,使结构进化至最优构型. 3个典型的拓扑优化算例结果表明：提出的方法可有效提升应力拓扑优化的计算效率;与柔度最小化拓扑优化相比,使用适当的凝聚函数参数消除了结构中的应力集中效应,最优设计中的最大应力值较原设计有不同程度下降,提高了结构的强度. 双向渐进结构优化方法使用离散设计变量避免了应力奇异现象,拓扑优化结果的边界清晰.     

悬置支架结构的有限元分析与拓扑优化设计

卡车驾驶室悬置支架是重要的连接构件之一,为了在产品设计阶段寻求最佳设计方案,利用通用有限元分析和优化软件Hyperworks7.0,以柔度为目标,以体积作为约束条件,结合零件的结构、约束、受力等特点,对驾驶室悬置支架进行了有限元分析和结构拓扑优化,并在优化基础上进行了二次设计.与传统设计支架相比,优化设计支架最大应力减小50.6%,质量减少14.6%.基于有限元法的结构分析和拓扑优化,能在产品开发阶段主动寻求最优方案,对提高产品质量、缩短设计周期有重要作用.     

快堆装载机支臂结构的动静态性能拓扑优化设计方法

摘要：针对快堆装载机支臂结构的动静态性能和轻量化设计要求,采用有限元法验证了原结构的安全性,提出了一种基于变密度法固体各向同性惩罚微结构（SIMP）,通过引入标准化系数建立起将多工况刚度和动态多个低阶关键固有频率归一为组合柔度指数最小的动静态多目标拓扑优化数学模型,并得到了合理的整体Pareto解。分析结果表明,根据拓扑优化结果改进设计的支臂动态性能明显提高,在安全停堆（SSE）工况下最大Tresca应力减小约10%,结构重量减轻约21.5%,较好地达到了既提高性能又减轻重量的结构优化目标。     

钢制组装式车轮的轻量化设计及多目标优化

设计了一种以热轧高强钢作为内轮辋、低碳钢作为外轮辋材料的异种钢材组装式车轮,提出一种车轮多种工况下循环载荷疲劳耐久试验方法,对车轮进行疲劳寿命预测. 基于有限元法,计算不同位置下施加载荷时车轮的强度、刚度,不同应力频率下的疲劳寿命和安全系数,并分析出局部大应力关键部分. 以转弯工况建立参数化模型,定义了8个结构设计变量,利用最优拉丁超方实验设计方法选取初始样本点,拟合了车轮Kriging近似模型,以车轮最小质量、疲劳寿命和疲劳寿命安全系数最大为目标,并以应力、最大形变量为约束,对车轮进行多目标优化,并进行弯曲疲劳试验验证. 结果表明,异种钢材组装式车轮在优化后,性能良好,满足设计寿命要求,质量较优化前车轮减重9.73%.     

基于空间动力学优化的机床结构件质量匹配设计

提出基于整机空间动力学预测模型、以移动结构件质量为设计变量的多目标匹配设计方法. 基于机床移动件的工作行程构建整机工作空间,运用正交试验法进行空间位姿试验设计,建立整机空间固有频率预测模型;在工作空间内对机床进行动力学性能的灵敏度分析,识别动力学的最优位姿和最差位姿;以最差位姿机床固有频率为优化目标,采用多目标质量匹配法对移动部件的质量进行最佳分布设计;重新计算优化后机床的固有频率,通过频率响应分析,比较优化前、后机床在最差和最优位姿下的动力学性能. 结果表明,经过多目标质量匹配优化后,机床的固有频率得到了提高,刀尖节点的最大频响振幅明显降低,机床的整机动力学性能有了较大程度的改善.     

基于ANSYS平台的连续体渐进结构优化设计及其应用

基于ANSYS分析软件平台,在传统的渐进结构优化（ESO）思想的基础上,依据对结构位移灵敏度的分析,较严格地导出了结构的应力灵敏度;并根据荷载的最优传递路线概念提出了一种具有应力约束连续体结构拓扑优化的单元删除策略,从而使得在结构拓扑优化的迭代过程中,最大应力的变化尽可能小,且最优结构所对应的最大应力能控制在容许应力范围之内。若干工程算例的优化结果表明,该方法在结构优化目标质量最轻的前提下计算效率相对较高,且优化结果与工程实际要求较吻合,同时也从数值上验证了该方法的可行性和有效性。     

减震结构粘滞阻尼器参数优化分析

研究了基于响应面法进行减震结构非线性粘滞阻尼器参数优化设计的方法,该方法包括试验设计、有限元分析、响应面函数拟合和参数优化。以一榀钢筋混凝土框架结构非线性粘滞阻尼器参数优化为例,以所有粘滞阻尼器提供的阻尼力之和最小为优化目标函数,层间最大位移限值作为约束条件,建立粘滞阻尼器参数优化的数学模型,然后运用非线性规划优化方法进行参数优化。算例研究结果表明:基于响应面法进行粘滞阻尼器参数优化,既能保证结构层间位移小于限值,又能降低建造成本。     

QY200型液压支架立柱优化设计分析

在采煤过程中,液压支架作为煤矿开采的支护设备,其强度性能决定煤矿开采的安全指数。前期研究表明液压支架的应力主要集中在柱窝处,其应力大小和立柱的结构有关,在此前提下,针对QY200型液压支架的立柱结构进行优化。在不改变柱窝直径大小的前提下,对立柱的结构尺寸进行优化设计,优化试验采用正交试验设计法,将液压支架整体应力接近最小作为优化目标。优化结果表明,液压支架最大等效应力随活柱长度的增加成增长趋势,为保证液压支架能够更稳定地工作,活柱长度越小越好,而大缸外径和大缸长度越大越好。该优化方法能够减小试验次数,提高设计效率。     

A novel method of dynamic characteristics analysis of machine tool based on unit structure

A novel approach,which can be used for dynamic characteristics analysis of machine tools based on unit structure(US),is reported in this paper.The concepts of unit structures for design of machine tools are defined.In order to satisfy the dynamic characteristics requirement of high natural frequency and light-weight of US,a design method of multi-disciplinary optimization of NSGA-II about unit structures driven by natural frequency and mass is developed.Through analyzing the unit structures,key factors affecting the natural frequency and mass are extracted,and the mathematical models of natural frequency and mass about unit structures are also established by using central composite design and response surface model.The goal of high natural frequency and light-weight is reached by using the multi-objective genetic algorithms.The Pareto optimal set is also obtained.The dynamic behavior of US is investigated by the experimental modal analysis.To show the efficiency of the proposed novel method,the example of YKW51250 gear shaping machine bed is used.Through optimization of NSGA-II about US of YKW51250 machine bed,the natural frequency of YKW51250 gear shaping machine bed is increased by 30.4%and its mass decreased by 5.2%comparing with the original design.By studying the dynamic characteristics of the simplified machine tools bed,useful laws are obtained,and these laws can be used in primary design of NC machine tools structures.The optimal method based on US can be also applied to the dynamic optimal design of machine tools and other similar equipments.     

基于差异演化算法的高速储能飞轮形状优化设计

采用差异演化算法对高速储能飞轮的形状进行优化,以实现储能飞轮具有最大的质量能量密度,并且以在高速旋转的状态下满足强度要求为设计目标。针对差异演化算法进化速度依赖种群个体差异的特点,提出权重因子随种群聚集度变化而变化的策略,并增加混沌变异操作,以提高算法跳出局部最优的能力。构建了仿真优化程序,通过Visual C++6.0调用通用有限元软件ANSYS来计算飞轮的应力分布。通过优化计算得到了满足强度要求的质量能量密度最大的飞轮形状,与同质量的圆盘飞轮相比,转动惯量提高了28.39%。     

XG958轮式装载机车架等强度优化设计

为了降低车架在危险工况的应力,提高车架材料的效能并减轻车架的重量,采用有限元方法分析了各种工况下XG958轮式装载机车架的应力分布.根据分析结果对车架结构进行了改进,采用模糊优化方法,以前后车架总重量为目标函数,车架每块钢板上的最大应力为约束条件,对车架结构进行了等强度优化,并对优化前后车架的应力分布情况进行了比较.结果表明,车架结构经过改进及优化后最大应力值下降了112MPa,重量减轻了96kg,应力分布也较优化前均匀.