利用导重法进行结构轻量化设计

结构轻量化设计的目的是以最少的设计资源设计出性能合格的产品结构,以降低产品生产成本,提高产品性价比和市场竞争力。结构轻量化的实质是材料重量在结构几何空间内及构件间的合理分配。导重法是可用于产品结构轻量化的结构优化有效方法,它可适用于包括各类单元的各种产品结构构件尺寸优化与结构几何形状优化以及结构拓扑优化;其目标与约束可以涉及各种结构静动力性态。首先给出结构优化导重法用于结构轻量化设计的具有广泛一般性的数学模型及其求解方法。接着给出一种新的包络函数-方根包络函数,使数目庞大的应力与位移约束凝聚为单值强度约束与单值精度约束;还给出适用于多数产品结构轻量化设计的单性态约束优化实用模型与解法;最后给出两个产品结构轻量化的应用实例,验证了导重法用于轻量化设计的有效性与广泛适用性。     

基于Hyperworks/LS-Dyna的包装件跌落仿真及包装优化

目的 针对嵌入式洗碗机的包装设计方案进行跌落仿真分析,进一步优化降低方案成本,得出符合生产制造的轻量化设计理论。方法 首先使用Hypermesh与LS-DYNA进行联合仿真,模拟包装件六面工况下跌落的响应情况;其次使用OptiStruct优化模块对下衬垫进行拓扑优化设计,根据衬垫变形情况设置合理优化工况,优化的约束条件加入衬垫制造约束,得到满足包装需求的最轻量化的方案。结果 优化后的最终方案可制造性加强,成本降低1.1元,且优化前后试验采集的易损件响应加速度有不同程度降低,达到优化目标。结论 轻量化设计理论在包装领域具有普适性,设计完成后,可以通过拓扑优化的技术路线进一步优化设计方案,降低包装成本,达到降本增效的目的。     

液压支架柱窝有限元分析及结构优化

利用ANSYS Workbench软件对液压支架柱窝进行参数化建模,并对其刚度和强度进行校核及多目标结构优化设计。通过计算输入参数的敏感度及响应曲面来确定优化方案。优化结果表明:柱窝在满足刚度和强度要求的同时其质量减少了6%,达到了轻量化的设计目的,获得了理想的结构参数。     

基于拓扑优化的变密度蜂窝结构参数化设计及冲击性能研究

针对现有梯度蜂窝结构的经验式、非连续变梯度等设计方法，无法充分发挥梯度设计对蜂窝结构冲击性能提升效果的问题。基于变密度拓扑优化方法，提出了一种参数化设计的拓扑优化密度映射蜂窝结构，通过改变映射系数、相对密度构建了相应的拓扑优化密度映射蜂窝结构模型。研究了不同冲击速度下，映射系数、相对密度对其面内变形模式、力学响应和能量吸收性能的影响。结果表明，映射系数、相对密度对不同冲击速度下的拓扑优化密度映射蜂窝的面内变形模式具有显著影响，增大映射系数有益于提高其平台应力和比吸能，与相同质量、尺寸的标准蜂窝冲击性能对比结果显示：拓扑优化密度映射蜂窝的峰值应力降低了16.9%、比吸能提高了29.1%。研究表明，将变密度拓扑优化方法引入至梯度蜂窝结构的设计可有效提高其冲击性能。     

胶印机滚筒结构的拓扑及尺寸优化设计

胶印机滚筒在印刷压力作用下的挠曲变形是影响印品质量的重要原因。以PZ1740胶印机橡皮滚筒为研究对象,提出了一种基于拓扑优化和尺寸优化的橡皮滚筒结构设计方法。建立了滚筒结构的二维拓扑模型,以应变能最小为目标,体积分数作为约束,得到滚筒结构的拓扑分布;在拓扑构型基础上,建立了滚筒结构的参数化模型,以挠曲变形最小为目标,结构质量作为约束条件进行尺寸优化,得到了滚筒具体的结构。优化分析结果表明,优化后的滚筒结构在质量约束的条件下有效地减小了挠曲变形,提出的方法在胶印机滚筒结构优化设计中可行且有效。     

小议机械产品设计中结构优化技术的运用

机械产品设计中结构优化技术是一种综合性技术要求,一般可以从扩扑优化和尺寸优化两个方面来考虑机械件的加工优化,设计出满足客户要求的设计方案。在技术指标允许的情况下,是一种搜寻最优设计方案的技术。在允许改变的条件下,重新定义设计变量如表征结构外型的几何参数(圆孔半径等)和物理参数(如材料的弹性模量、密度等),重新定义约束条件如装配位置限制条件等,选择最优化并对计算结果分析评估,使产品的性能指标达到最佳效果。应用拓扑优化和尺寸优化技术对于全新产品机械结构的设计是非常关键的,充分发挥技术人员的创新能力,激发创新设计的思路,通过优化设计,降低产品重量,优化了结构,提高了产品性能。     

钛合金薄壁件精密切削加工研究

机械产品设计中结构优化技术是一种综合性技术要求,一般可以从扩扑优化和尺寸优化两个方面来考虑机械件的加工优化,设计出满足客户要求的设计方案。在技术指标允许的情况下,是一种搜寻最优设计方案的技术。在允许改变的条件下,重新定义设计变量如表征结构外型的几何参数(圆孔半径等)和物理参数(如材料的弹性模量、密度等),重新定义约束条件如装配位置限制条件等,选择最优化并对计算结果分析评估,使产品的性能指标达到最佳效果。应用拓扑优化和尺寸优化技术对于全新产品机械结构的设计是非常关键的,充分发挥技术人员的创新能力,激发创新设计的思路,通过优化设计,降低产品重量,优化了结构,提高了产品性能。     

风力发电机叶片内部梁的拓扑优化

目前,风力发电机正朝着大功率、大型化、轻量化发展,形状优化和尺寸优化对于结构的设计具有一定的局限性,随着拓扑优化的发展,设计人员可以从根本上改变材料布局,更大程度地减轻结构重量,可以为风力机叶片的结构设计提供参考。     

一种重载码垛机器人结构优化设计方法

码垛机器人常用于焊接、喷涂、上下料、装配和码垛等工艺,可以提高劳动生产率和保证产品质量。针对现有的重载码垛机器人,使用D-H法构建其运动学方程并利用MATLAB解算其工作空间。联合使用ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）和ANSYS Workbench,分别对重载码垛机器人零部件和整机进行瞬态动力学仿真,得到机器人各零部件所受的应力、应变以及机器人末端变形量等,并将其与试验数据对比,以验证仿真方法的可靠性和准确性。结合响应面法和拓扑法对重载码垛机器人结构进行联合优化,获得其结构的轻量化设计方法。研究表明该方法适用于各类关节型机器人的轻量化设计,可进一步降低机器人的材料、电机和减速器的成本。     

基于复合优化方法立式数控加工中心的多目标优化设计

为实现加工中心动静态性能不低于优化前性能,达到整机重量最轻的要求,本文提出了一种复合优化方法来研究多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计。采用有限元分析和实验模态测试方法分析各大件动态性能,并验证了有限元模型的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,得出各大件的最大变形及应力等。以柔度为目标,采用变密度法拓扑优化设计立柱结构的外形框架;以固有频率为目标,基于元结构的可适应性动态优化方法设计加工中心的筋板结构;以固有频率和质量为目标,基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最优尺寸。最后将优化后的各大件进行整机装配,分析校核整机动静态性能。分析结果表明,优化后的整机在保证加工中心动静态性能的条件下,整机质量从12749kg减少到12127kg,减重达到4.9%,达到了整机的优化设计要求,说明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

基于有限元分析的高精密柔性夹具优化方案设计

针对高精密加工过程中柔性夹具的变形问题进行理论计算和实验分析.首先应用CAE软件对现有柔性夹具进行有限元分析,分析夹具变形问题.然后通过CAD软件改变该夹具模型的结构参数和尺寸参数,优化夹具构造,以减少定位过程的夹具变形,并再次通过CAE软件进行分析,验证优化效果.通过增加夹具体主平面刚度、增加夹具体肋板刚度和改变夹具定位点位置等方法,实现夹具体的最大变形量满足加工精度的要求.实验分析以定位点变形为研究对象,测量得到4个定位点在夹具装夹过程中的变形量.实验结果基本符合理论计算结果,得到最终优化方案的4个定位点变形量均小于001 mm,满足了该高精密加工中对夹具体的精度要求.优化方案在实际生产中得到实施,效果良好.     

基于有限元对卸料机翻转框架的轻量化设计

目的以翻转框架为研究对象,采用有限元对其进行轻量化设计,在满足强度和工作性能的条件下最大程度地减轻其质量。方法针对翻转框架的实际工况,利用拓扑优化和尺寸优化对翻转框架进行轻量化设计。在满足工作性能和翻转框架强度的基础上,对在上料工况和极限工况下的翻转框架进行强度分析,基于分析结果,对翻转框架先后进行拓扑优化和尺寸优化,并对比分析优化前后翻转框架的强度情况。结果优化后的翻转框架强度满足要求,其减重幅度达到了17%。结论设计出的卸料机翻转框架结构满足其强度和工作性能的要求,并达到了较好的轻量化效果。     

长条形SiC空间反射镜轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜结构刚度、面形精度的同时,最大限度的降低反射镜质量,成为各国新兴的、重要的研究课题。本文从材料、支撑形式、相关几何参数以及轻量化结构形式等方面对反射镜进行详细设计。提出了通过拓扑优化确定反射镜背部轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明：重力载荷下面形精度达到 λ/10 PV,λ/50 RMS (λ=632.8 nm),PV值 7 nm,RMS值 1.68 nm,反射镜组件一阶固有频率 256 Hz,均优于传统结构形式的反射镜,能够满足应用要求。     

激光精跟踪快速控制反射镜结构优化与分析

目的对快速控制反射镜进行结构优化与处理,获得满足设计要求的轻量化结构。方法选取合适的加工材料,建立以结构柔度最小为目标的优化数学模型进行拓扑优化,对优化后提取的结构模型进行处理和有限元仿真分析。结果通过优化与分析,确定了反射镜最终结构,模拟分析结果表明,镜面最大变形量为2.7 nm,基频为4130.3 Hz,均满足设计要求。优化前后相比,结构质量降低了57.8%。结论优化结果较好满足了设计要求,对于类似结构的设计具有一定的参考作用。     

复合材料包装箱结构轻量化设计仿真技术研究

目的 针对复合材料结构包装箱进行轻量化设计，使其在内压及堆码工况下，结构强度能够满足使用要求。方法 针对局部非主承力位置进行改进，利用ABAQUS软件对包装箱的内压和堆码工况进行数值仿真分析，其中载荷工况安全系数均为1.5。结果 包装箱理论质量减少了64 kg，减少比例约为5.4%。最大载荷应力为344MPa，变形量为4.69mm，均满足使用要求。结论 包装箱结构轻量化后，在内压工况下各结构应力水平均有小幅上升，在堆码工况下各结构应力水平无明显变化，综上均处于安全范围，不会导致结构破坏。优化后的产品，实现了轻量化效果，理论证明结构改进安全可靠。可为国内类似复合材料包装箱轻量化结构改进提供数据支撑。     

空间反射镜轻量化结构的拓扑优化设计

为满足较高面形要求,实现空间反射镜的高度轻量化设计,在直径500 mm 圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法.依据变密度法建立SIMP模型,在反射镜光轴方向重力的工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标,经过选代,得到了RMS值小于5nm,轻量化率达到75.83%的结构.在同等质量下,传统的三角形孔轻量化结构的RMS值为8.17nm,轻量化率为67.39%.并对优化后的结构与三角形轻量化结构在径向重力工况下进行了面形对比,计算结果满足设计要求.拓扑优化的轻量化方式在面形和轻量化率上都优于传统形式.     

超大型试验舱舱门锁紧件优化设计

试验舱在航空、航天、材料等领域具有广泛的应用,由于试验舱设备较大,需要采用大型液压锁紧机构来开关舱门。本文根据理论计算和实际工况的需求,设计了舱门的液压锁紧机构,结合使用情况,校核了锁紧件的接触强度;然后应用solidworks的有限元分析模块,采用逐步迭代的方法,优化了锁紧件的过渡圆弧R,锁紧接触厚度B,以及吊耳厚度B1的尺寸。通过上述优化设计,在保证锁紧件屈服安全系数和接触安全系数为1.4的情况下,与优化前相比,锁紧件的质量减少了38%。     

激光位移传感器的计算机辅助设计和实验验证

根据被测物体的表面反射模型，采用光线追踪法对所设计的激光位移传感器进行了计算机仿真，利用复合形法进行结构参数优化。在结构优化基础上，使用单片球面透镜获得了较高的线性关系。实验表明，此方法可以缩小传感器的结构尺寸、提高精度、降低成本。     

2 m SiC 反射镜拱形轻量化结构设计

针对口径为2 060 mm 的地基大口径望远镜主反射镜,选用SiC 材料和新型拱形轻量化结构进行了详细的轻量化参数设计,并对支撑环半径进行了优化.对于Whiffle tree 18 点支撑和27 点支撑形式,从静力学(重力作用)和热力学两方面对比分析了两种轻量化结构的镜面变形,结合SiC 反射镜的加工工艺,最终确定18 点支撑的轻量化结构为首选方案.同时,就SiC 反射镜对稳态温度差导致的热变形较敏感的问题,提出可通过设计与镜体热变形相匹配的支撑结构来满足镜面变形的要求.     

兆瓦级风电机组锁紧联接的设计研究

针对兆瓦级风电机组的锁紧装置，以风电锁紧盘为研究对象，以机械产品的工作可靠性和经济性为目标，克服传统设计方法的不足，提出一种改进的设计方法，同时对摩擦系数、配合间隙和环境温度等参数进行分析．结果表明：改进方法的计算结果比传统计算结果更精确，与FEM 模拟结果接近；过盈配合面的摩擦系数对接触面压强影响非常大，推荐圆锥面的摩擦系数范围为0.085～0.091；设计过程中应以当量弹性模量计算过盈量；不同配合间隙对接触面压强的损耗较大，最大能达到50 M Pa；接触面压强随环境温度升高而减小．