一种模块化机器人的拓扑构型优化

采用遗传算法对一种关节型模块化机器人系统面向任务的拓扑构型优化设计问题进行了研究。对任意机械臂拓扑构型组成模块的类型、参数、数量及模块间连接顺序和装配方位等信息进行了二进制编码。按照性质不同将设计要求划分为刚性要求、柔性要求及刚性+柔性要求,对不满足刚性要求的拓扑结构通过过滤器处理以提高效率,对其他拓扑结构进行构型评价并以评价结果的加权和的形式建立构型评价函数。以自由度最小为主要优化目标,结合遍历法和遗传算法给出一种拓扑构型优化设计方法。构型优化实验验证了该方法的有效性。     

基于各向正交惩罚材料密度法的汽车控制臂的优化设计

建立了以刚度最优值(最小柔顺性)为目标函数,体积约束作为约束条件,有限元单元的相对密度为设计变量的汽车控制臂结构拓扑优化模型,对多功能车上使用的A型控制臂结构在概念设计阶段进行了拓扑优化。优化过程中采用各向正交惩罚材料密度法(SIMP)理论建立数学模型,并应用优化准则算法求解数学模型,得到控制臂的概念设计优化模型,为结构详细设计阶段的形状优化和尺寸优化提供设计依据。从结构概念设计的结果知:优化设计过程较稳定、能有效满足概念设计的需要。     

GIS检测操作臂的结构设计及优化

针对GIS检测移动操作臂的作业要求,首次开展了一种五自由度操作臂的结构设计与优化。首先通过分析GIS检测的任务要求,完成操作臂构型尺度设计;假定均质杆件和集中负载,建立机械臂力学模型,基于抗弯截面系数的平方与截面面积的三次方比值最优完成主操作臂的截面形状和截面尺寸的设计;建立三维实体模型,基于有限元方法完成操作臂在不同工况下的应力分析,在此基础上,采用遗传算法对操作臂进行结构优化。优化后的结构尺寸使操作臂的质量明显减小且能够保证足够的强度和刚度。     

工业机器人机械臂拓扑优化设计

结构优化有尺寸优化、形状优化和拓扑优化3种类型。拓扑优化能够根据给定的约束条件、负载情况和性能指标,利用计算机的有限元仿真技术,在给定的区域内优化设计材料分布,从而实现结构的最优性能。因此,采用有限元分析,在保证机械臂的强度、刚度和变形小等条件下,建立多目标拓扑优化数学模型,将结构质量最小化、静态刚度最大化以及振动频率最大化的优化目标结合成综合目标函数,通过拓扑优化方法,在给定的设计区域内寻求材料的最优化分布结构,从而得到最佳的机械臂结构。     

基于拓扑优化的卫星铰链机构设计

针对某卫星天线铰链机构的超重问题,采用变密度优化设计方法,对铰链机构开展了拓扑结构优化。文章对比分析了优化前后的铰链机构刚度情况,优化后的铰链拓扑结构在满足刚度要求的约束条件下,质量相比初始状态减轻了22.6%,同时后续的力学试验结果也验证拓扑优化后的铰链结构能承受确定的力学环境载荷。计算分析结果表明优化后的拓扑结构有效解决了铰链机构重量的超标问题。     

周期狭长结构拼装模块尺寸效应与构型优化

针对狭长结构拓扑优化过程中存在的计算困难、有中间密度存在和优化构型复杂等问题,提出周期模块拼装方法,并建立混合梁单元模块有限元模型,开展了狭长结构的拓扑优化设计。以承受均布压力载荷的悬臂狭长结构为例,分析比较了不同模块数、不同材料用量以及不同截面梁对优化结果的影响。计算结果显示,采用周期模块拼装策略能获得规则简单易制造的优化构型,周期狭长结构具有尺寸效应且存在最佳模块尺寸来最大化拼装结构刚度。将混合梁单元模型的模块尺寸与拓扑协同优化结合,获得了清晰规则的类桁架构型。最后应用所提方法实现了周期狭长梯形结构的构型优化。     

工业机器人臂部静动态多目标拓扑优化设计研究

为兼顾工业机器人臂部更高静动态特性和更低自重的要求,基于SIMP变密度法拓扑优化,运用相对差值的数学方法,构建了提高结构静态各工况刚度和动态各阶固有频率的多目标拓扑优化数学模型。以MOTOMAN-HP20工业机器人的L臂为研究对象,对其进行静动态多目标拓扑优化设计,获得L臂新结构方案。分析表明:L臂新结构静态各工况的刚度和动态各低阶固有频率都得到提高,同时L臂减重15.5%,实现了轻量化。并且相对差值法的运用有效避免了在多目标优化过程中大数量级目标支配优化结果的问题。     

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法.该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化.首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型.文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000 Hz,轻量化率达到86.0％.得到的结果验证了本文方法的有效性.     

基于Optistruct的云粒子组合探测器改装结构优化设计

针对云粒子组合探测器改装结构布局形式多、质量偏大等问题，对某试验机的云粒子组合探测器改装结构采用了拓扑-尺寸联合优化设计方法，探索改装结构的最优结构布局及最小质量尺寸。采用变密度法对改装结构进行拓扑优化，获得了最优的结构布局形式和最佳的传力路线；以最小质量为目标函数，在满足强度和刚度的约束条件下，对结构的厚度参数进行了尺寸优化，使结构质量减轻了22.33%，减重效果明显，验证了拓扑-尺寸联合优化设计方法在试验机改装结构设计的有效性。     

面向多目标的汽车悬架控制臂拓扑优化研究

针对结构的多目标拓扑优化设计,提出一种基于折衷规划法归一化子目标建立综合目标函数、以灰色综合关联分析确定综合目标函数中子目标权重系数的方法。以某商用车悬架控制臂为例,运用动力学分析、静力学分析和模态分析,得到控制臂在典型工况下的刚度性能、强度性能和固有频率。用板结构进行拓扑优化和形貌优化确定控制臂外轮廓形状,再分别采用单目标拓扑优化降低典型工况下的柔顺度和提高前三阶固有频率,并采用多频率加权方式来抑制频率单目标优化时的振荡现象。将单目标拓扑优化形成的子序列与各个目标最优值形成的最优序列进行灰色综合关联分析,得到子目标的权重系数。用折衷规划法进行多目标拓扑优化,根据优化结果对控制臂进行改进设计。改进后结构分析表明:优化后的控制臂质量减轻9.3%,整体刚度性能和强度性能明显增强,各阶固有频率均有不同程度提高。     

环形可展开卫星天线的多目标结构优化设计

卫星天线的结构设计是一个复杂的系统工程,通常受到多个指标的限制。依据天线各指标的重要性,本文建立了以一阶固有频率最大、质量最小为目标的天线结构多目标优化设计模型,并基于神经网络和遗传算法,结合正交实验和变加权系数技术,形成了一种有效的多目标优化算法。在MATLAB平台下实现了天线的结构多目标优化设计计算程序,求得了天线的最佳结构参数,解决了带有结构有限元计算、多离散变量、多目标相结合的复杂结构优化设计问题。     

大变形条件下的预应力索桁架天线结构优化设计

传统预应力索桁架天线结构设计往往依赖于经验设计和非梯度方法。为了提高该类结构的优化设计效率,文中提出了一种大变形条件下的预应力索桁架结构拓扑优化方法。该方法以一种预应力修正下的柔顺度指标作为目标函数,以质量分数和强度作为优化约束,通过归一化方法获得连续的设计变量,实现对索桁架结构的拓扑构型、组件尺寸和预应力数值的整体优化设计。目标函数的灵敏度信息可完全通过解析方法获得。数值计算结果表明,该方法对大变形条件下天线单一工况和多工况预应力索桁架优化设计都具有较好的适用性。     

基于类树形结构载荷路径的柔性机翼前缘优化设计

根据柔性机翼前缘的变形要求,以离散体结构拓扑优化为出发点,以实际位移与目标位移之间的偏差为目标,建立目标优化函数。采用类树形结构的载荷路径建立初始构形,利用遗传算法(GA)进行结构拓扑优化,并结合拓扑结构优化结果进行二次优化,获得更优解。通过ANSYS仿真分析,结果表明该方法是可行的。     

空间杆系结构布局优化的能量法

杆系结构作为航天器的支承结构,已经被广泛地应用于各类天线展开机构中。杆系结构的构型设计对航天器整体构架性能是至关重要的。从能量的观点,采用满应力设计方法,对空间多自由度杆系结构进行了布局优化研究,通过对不同构型优化结果的分析比较,提出了空间杆系结构布局优化原则,对高效率杆系方案的选取和设计具有指导意义。     

基于神经网络和遗传算法的卫星结构参数优化

针对卫星结构要求总质量轻小、一阶固有频率较高的特点,建立了卫星结构多目标优化的数学模型,通过BP神经网络和遗传算法相结合进行参数优化,并编制了相应的计算程序,既利用了神经网络的非线性映射、网络推理和预测功能,又发挥了遗传算法的全局优化特性,得出了合理的优化结果,与传统的结构优化方法相比,此方法效率较高,精度良好.     

某机动式雷达天线阵面结构优化设计方法研究

文中提出了机动式雷达天线阵面结构正向设计方法,对雷达天线阵面进行了轻量化设计.应用经典力学求解天线阵面在静力学工况下的最大应力和变形,将此作为优化约束条件,将阵面质量作为优化目标,建立天线阵面的数学模型,用遗传算法进行第1次设计优化,得到天线阵面的初始结构参数综合考虑静力学工况与动力学工况,进一步用ANSYS系统的APDL建立参数化有限元模型,进行第2次优化,得到天线阵面的结构参数.文中对某型号的机动式雷达天线阵面进行了正向设计,并将优化结果与该雷达现有设计结果进行了分析对比.结果表明该正向设计方法合理,轻量化效果明显.     

索网桁架式可展开天线的多目标优化设计

针对太空索网桁架式可展开天线的结构特点和性能要求建立了天线的有限元分析模型,并对其结构进行了优化设计研究.以天线的刚性周边桁架壁厚和柔性索单元内施加的预应力为设计变量,结构重量和天线表面精度为目标函数,结构的基频为约束条件,建立了天线的多目标优化数学模型.考虑到索网结构几何非线性计算的复杂性,采用遗传算法对模型进行优化求解.通过算例分析,得到了不同权重值时的多目标优化解集,优化结果对于工程实践具有一定的指导意义,也同时证明了该模型与方法的可行性和有效性.     

大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

针对某1 m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求,设计了一种轻型分体支撑结构。首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发,综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料;然后以结构质量分数为约束条件,建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,得到了拓扑结果清晰的各分体结构最优传力路径;进一步对主支撑结构各部分尺寸进行二次优化,得到了各分体结构的最佳构型和最优设计尺寸。设计后的分体支撑结构总重为227.8 kg,轻量化率达到93.9%,满足了高轻量化和高刚度要求。有限元分析结果及力学样机试验结果表明:分体支撑结构满足遥感相机整机基频大于50 Hz的刚度要求,在升温5℃工况下反射镜变形在公差范围之内,完全符合卫星平台对光学载荷的要求;力学样机在振动实验前后反射镜组件相对偏移角度均不超过22″,具有较好的稳定性,证明了拓扑优化和尺寸优化方法的合理性和可行性。本文提出的分体支撑结构设计对大型空间离轴相机支撑设计具有较高的工程实践价值。     

离散变量桁架结构拓扑优化的混合遗传算法

为了避免结构拓扑优化过程中杆件和节点的增删带来的计算上的麻烦，在对桁架结构受力分析的基础上，提出一种启发式方法，以快速产生符合机动性要求的拓扑结构形式；然后在既定的拓扑结构形式下采用混合遗传算法——拟满应力遗传算法进行截面优化。该方法通过在遗传算法中嵌入拟满应力算子，同时对基本遗传算法采用最优个体保留、最差个体替换和控制种群个体差异等改进措施，有效提高遗传算法求解的效率和质量。算例结果表明，该方法用于离散变量桁架结构拓扑优化是有效的。