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。     

一种攀爬清洁机器人底盘优化设计研究

为提高平地楼道两用攀爬清洁机器人底盘刚度、强度和稳定性,减小结构重量,总结了平地清扫和不同楼梯角度下的攀爬清扫四种典型工况的工作特征。分析了攀爬清洁机器人的组成和工作原理,建立了各典型工况下工作载荷的数学模型。采用拓扑优化的优化设计方法,对机器人底盘结构进行优化设计,得到了底盘的最佳材料分布。基于空间钢架的有限元分析法,获得了底盘钢架的最大弯矩、最大扭矩、剪力和最大变形,并建立了底盘理论力学模型。采用了一种多目标自适应混沌粒子群优化算法(MACPSO),以底盘重量、最大应力和最大变形为目标函数,对底盘的主要参数进行优化设计。优化结果表明:攀爬清洁机器人底盘质量减小了54.2%,最大应力降低了17.5%,最大变形减小了28.5%,底盘质心位置前移了9.85%,提高了整机的刚强度和稳定性。     

档位互换机构壳体拓扑优化

为实现档位互换机构壳体轻量化和减少壳体疲劳破坏的问题.将基于变密度法的结构拓扑优化技术方法应用到壳体优化中,根据各轴最大输出转矩,结合壳体强度和刚度.以壳体柔度为最小目标,体积分数为约束条件,对壳体模型进行拓扑优化分析,并对优化设计的壳体进行应力分析和模态分析设计出最优方案.仿真结果表明:通过拓扑优化设计出的壳体模型的重量明显减轻,一阶模态避开了壳体的固有频率避免产生共振,在正常工况下最大应力相对优化前有所减少且低于材料屈服极限,实现壳体的拓扑优化设计.     

基于拓扑优化重型自卸车后桥结构优化分析

重型自卸车后驱式布置使得后桥驱动桥壳和A型架成为重要的承载部件,需要承担各种来自车轮的力和力矩。根据重型自卸车后桥驱动壳结构特点,建立该模型的参数化模型,根据实际工况不同的极限受力工况进行载荷分析,并基于有限元进行结构优化分析。根据后桥结构的几何布局要求及极限工况受力特点分析,确定优化分析的条件及载荷工况,基于拓扑优化对其空间结构进行优化,获得不同工况的拓扑优化密度云图,据此对其几何结构进行重新布置。采用电测法对优化设计后的结果进行实车测试。对比分析可知:优化设计后桥结构的应力分布满足要求,整个结构的质量明显减少,而应力分布更加均匀合理;A型架的拓扑优化得到了应力分布合理的结构模型,在模型体积减少的同时还降低了最大应力值,两种满载工况均减小;实车测试与理论分析结果基本一致,验证了优化分析的可靠性,为此类设计提供参考依据。     

高温超导磁悬浮储能飞轮轮毂结构的优化设计

针对一种高温超导磁悬浮储能飞轮轮毂结构,论述其优化设计方法,以达到提高储能密度的目标。运用有限元理论建立轮毂结构模型,以拓扑结构优化、材料优选与形状优化的方法对其进行优化。结果表明,在满足强度、一阶弹性共振频率、极转动惯量、几何尺寸、形状和控制系统等多学科约束条件下,轮毂的储能密度比设计方案提高了7.6%。该优化方法提高了转子的设计效率,对飞轮的高速储能有重要意义。     

质子治疗装置旋转机架斜梁的拓扑优化

应用拓扑优化中连续体独立连续映射(ICM)法,建立以质量最轻为目标函数、以质子治疗装置旋转机架斜梁结构设计域的位移和应力为约束条件的拓扑优化模型,并以Hyper Works及Opti Struct为工具,对斜梁进行结构优化设计,得到斜梁在三种工况下的材料最优分布图。比较三者的优化结果,根据优化方案对初始结构进行重构设计。研究结果表明,改进后的斜梁结构保证了质子治疗装置旋转机架的结构强度和刚度,质量减轻了9.8%,实现了轻量化设计。     

多工况下变速箱箱体结构的拓扑优化设计

针对变速箱系统的多载荷工况特性,建立箱体结构的有限元模型,对其进行静力分析和模态分析,得到各工况下箱体的应力和位移云图,在此基础上对结构进行应力、位移和体积比分数约束下第一阶固有频率最大化的拓扑优化设计,根据结构的材料密度分布云图结果对其进行改进设计,改进后的结构较初始设计质量减小19kg。对改进后的结构进行再分析,结果表明该箱体结构的拓扑优化设计是可行的。     

基于拓扑和形貌优化的汽车发动机罩板设计

提出了一种汽车发动机罩板的优化设计方法。该方法包括基于拓扑优化的最优材料分布设计和基于形貌优化的最优压延筋设计,在轻量化设计的同时使结构的力学性能得到提高。在设计过程中,采用加权的方法处理优化设计的多工况问题。根据优化结果建立内板结构的优化模型,并将优化模型与原设计模型进行比较,结果表明,优化模型在横向弯曲工况、侧向弯曲工况和扭转工况的结构应变能分别降低18.89%、64.30%和49.79%,结构减重约20%。     

商用车油箱支架的有限元分析及优化

应用HyperWorks软件,在四种工况下通过RADIOSS求解器对油箱支架进行静强度计算分析,得出其应力和变形结果。根据分析结果,以减小危险位置最大应力、增强结构稳定性为目的,对油箱支架进行了优化设计,将设计结果与原模型的强度、位移进行对比分析,采用最佳优化方案。     

基于应力约束的多相材料结构拓扑优化设计

传统的固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)难以准确描述多相材料结构应力约束拓扑优化问题,鉴于此,提出一种基于可分离应力插值模型的多相材料结构应力约束拓扑优化设计方法.利用可分离应力插值模型计算多相材料结构的刚度和应力,以结构的体积最小化作为目标函数,采用改进的P范数求解各相材料结构的最大应力,以各相材料结构的最大应力作为约束,建立多相材料的结构全局应力约束拓扑优化模型,利用设计变量过滤技术避免数值不稳定性现象,采用移动渐近线优化算法求解多相材料结构应力约束拓扑优化问题.数值算例结果表明,采用多相材料结构全局应力约束拓扑优化获得的结构更加合理,能够有效地避免应力集中现象.     

拓扑优化设计中混合细胞自动机方法应用研究

结构拓扑优化是研究材料在连续设计空间最优分布的技术。文中采用细胞自动机作为优化计算模型,按照一定的材料参数化方法,以材料应变能最小并趋于平均分布为优化目标,通过ANSYSILS—DYNA进行有限元分析计算,设计了混合细胞自动机拓扑优化算法,给出了细胞自动机结构拓扑形态优化应用步骤。以平面薄板受力模型为例,对细胞自动机结构拓扑优化方法加以验证,得到的结果与经验设计的结构拓扑形态较为吻合,且具有比较强的鲁棒性和泛用性。     

连续体结构综合优化设计

以连续体为对象的优化解法所求得的优化结果,经常只是反映最佳传力途径的具有锯齿状边界的某个区域。基于此,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助几何设计有机地集成在一起,提出一种基于隐含边界描述的水平集连续体结构拓扑和形状渐进综合优化设计方法,将形状导数与拉格朗日乘子法引入到优化敏度分析中,控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界的动态演化;用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,将前一优化过程所得到的反映传力途径的概念解上升为具有光顺边界,并被参数化了的物理解;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布,使结构变为最佳。通过一个典型算例证明所研究方法的有效性。     

舰载铸铝密闭机柜优化分析

刚强度/重量比最优是舰载铸铝密闭机柜的设计目标。为满足设计要求,对机柜进行了结构优化分析。采用拓扑优化方法确定了机柜加强筋布局;通过手工优化和有限元刚强度分析计算,确定了加强筋截面参数、板厚等具体设计参数。结果表明该机柜动态特性可满足设计要求。     

Structural scheme optimization design for the stationary platen of a precision plastic injection molding machine

The current development of precision plastic injection molding machines mainly focuses on how to save material and improve precision, but the two aims contradict each other. For a clamp unit, clamping precision improving depends on the design quality of the stationary platen. Compared with the parametric design of stationary platen, structural scheme design could obtain the optimization model with double objectives and multi-constraints. In this paper, a SE-160 precision plastic injection molding machine with 1600 kN clamping force is selected as the subject in the case study. During the motion of mold closing and opening, the stationary platen of SE-160 is subjected to a cyclic loading, which would cause the fatigue rupture of the tie bars in periodically long term operations. In order to reduce the deflection of the stationary platen, the FEA method is introduced to optimize the structure of the stationary platen. Firstly, an optimal topology model is established by variable density method. Then, structural topology optimizations of the stationary platen are done with the removable material from 50%, 60% to 70%. Secondly, the other two recommended optimization schemes are given and compared with the original structure. The result of performances comparison shows that the scheme II of the platen is the best one. By choosing the best alternative, the volume and the local maximal stress of the platen could be decreased, corresponding to cost-saving material and better mechanical properties. This paper proposes a structural optimization design scheme, which can save the material as well as improve the clamping precision of the precision plastic injection molding machine.     

变速器壳体拓扑优化设计分析

介绍了变速器壳体设计的一般原则,简述了结构拓扑优化设计技术的基本功能,以实际开发项目中的变速器壳体技术设计为例,介绍了变速器设计的基本要求,提供了变速器壳体设计的一些经验数据,并阐述了壳体材料的选择和结构的工艺性.采用有限元分析方法,对变速器壳体进行拓扑优化分析,通过不同的拓扑优化方法,分析了先进设计方法的实现方式,为实现变速器合理优化设计提供了依据.     

含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计

提出了一种含自重载荷的功能梯度材料（FGM）结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚（SIMP）框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构优化列式。基于伴随法,在时域内进行了灵敏度推导,并用移动渐近线方法进行求解。通过二维和三维典型数值算例系统研究了含自重载荷下FGM结构的拓扑优化设计问题,并深入探讨了自重载荷和材料梯度分布方向对结构优化结果的影响,发现自重载荷和材料梯度分布方向对FGM结构的优化构型和动刚度具有很大影响。最后,以均一材料（FGM的特例）为例,通过数值仿真和实验测试方法验证了所提方法的有效性,并证实了所提方法可有效提高结构的固有频率和结构动刚度。     

机床结构轻量化设计研究进展

对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。     

Multi-objective reliability-based topology optimization of structures using a fuzzy set model

This research proposes a multi-objective reliability-based topology optimization (MORBTO) for structural design, which considers uncertain structural parameters based on a fuzzy set model. The new technique is established in the form of multi-objective optimization where the equivalent possibilistic safety index (EPSI) is included as one of the objective functions along with mass, and compliance. This technique can reduce complexity due to a double-loop nest problem used previously due to performing single objective optimization. The present technique can accomplish within one optimization run using a multi-objective approach. Two design examples are used to demonstrate the present technique, which have the objectives as structural mass and compliance with the constraint of structural strength. The results show the proposed technique is effective and simple compared to previous techniques.

     

结构多目标拓扑优化目标函数构建方法的研究

为实现结构材料的多目标拓扑优化设计,基于数学规划法提出一种广义的平均距离法,用以研究多目标拓扑优化目标函数的构建方法。介绍了运用平均距离法演变的将多目标转化为单目标的多种方法,并以汽车悬架控制臂为实例,应用演变的多种方法进行拓扑优化仿真研究。研究表明：运用平均距离法演变的多种方法可以灵活地构建多目标优化目标函数,基于所构建的目标函数可以寻找较优的构建方法,更好地将平均距离理念应用于多目标结构优化设计。     

Light-Weight Design Method for Force-Performance-Structure of Complex Structural Part Based Co-operative Optimization

A light?weight design method of integrated structural topology and size co?optimization for the force?performance?structure of complex structural parts is presented in this paper. Firstly, the supporting function of a complex structural part is built to map the force transmission, where the force exerted areas and constraints are considered as connecting structure and the structural configuration, to determine the part performance as well as the force routines. Then the connecting structure design model, aiming to optimize the static and dynamic performances on connection configuration, is developed, and the optimum design of the characteristic parameters is carried out by means of the collaborative optimization method, namely, the integrated structural topology optimization and size optimization. In this design model, the objective is to maximize the connecting stiffness. Based on the relationship between the force and the structural configuration of a part, the optimal force transmission routine that can meet the performance requirements is obtained using the structural topology optimization technology. Accordingly, the light?weight design of conceptual configuration for complex parts under multi?objective and multi?condition can be realized. Finally, based on the proposed collaborative optimization design method, the optimal performance and optimal structure of the complex parts with light weight are realized, and the reasonable structural unit configuration and size charac?teristic parameters are obtained. A bed structure of gantry?type machining center is designed by using the proposed light?weight structure design method in this paper, as an illustrative example. The bed after the design optimization is lighter 8% than original one, and the rail deformation is reduced by 5%. Moreover, the lightweight design of the bed is achieved with enhanced performance to show the effectiveness of the proposed method.