Optistruct优化结构设计实例

本文主要介绍Optistruct软件优化方法在结构设计改进中的应用。通过使用拓扑优化和形貌优化方法对一款摩托车后挡泥板进行结构优化。使用自由形状优化方法对发动机减震衬套的截面进行优化。     

带有区域性惩罚因子的双向渐进结构优化方法

针对传统的拓扑优化方法欠缺考虑增材制造工艺约束,如果优化模型存在大面积悬垂、封闭空腔等工艺几何特征将增加打印及后处理操作的复杂度的问题,提出带有区域性惩罚因子的双向渐进拓扑优化方法.首先考虑增材制造工艺特征约束,使得优化结果具有良好的可打印性;然后对模型进行网格划分,根据单元体所在的区域定义区域性惩罚因子,保证区域性惩罚因子由外表面向内核逐渐增大;最后结合有限元分析,以区域性惩罚因子对单元体的计算应力进行惩罚,决策单元体的保留与删减.通过数值实验,与传统的双向渐进结构拓扑优化算法对比的结果表明,该方法可以改变空腔形貌特征、减少垂悬面积、均衡模型应力分布,提升了拓扑优化模型的可打印效果.     

转向架齿轮箱吊杆的优化设计

针对某转向架齿轮箱吊杆开发设计过程中吊杆原始结构工作安全因数过大的问题,为进行轻量化设计,基于OptiStruct采用拓扑优化结合自由形状优化的方法对吊杆进行优化设计.优化后吊杆的质量减轻约38.3%,其工作安全因数和刚度满足要求.     

轨道扣件弹性垫板结构优化设计

采用OptiStruct对某型铁路扣件轨下垫板进行拓扑优化和自由形状优化,实现垫板结构轻量化设计.根据优化空间最大化原则,对垂向载荷工况进行拓扑优化、对极限载荷工况进行自由形状优化.使用Abaqus极限载荷扣件系统仿真模型对优化后垫板结构性能进行验证评价.结果表明:优化后的垫板性能基本不变,质量减少约10%,刚度满足设计要求.优化结果可为垫板轻量化设计提供参考.     

基于ANSYS二次开发的结构拓扑优化

将先进的结构拓扑优化思想与成熟的有限元分析软件ANSYS相结合,基于ANSYS二次开发语言APDL和UIDL编制了结构拓扑优化程序,解决了ANSYS自带的拓扑优化模块中单元类型受限及不能应用于桁架结构优化的问题,充分利用ANSYS丰富的单元类型、强大的计算和后处理能力,有利于促进结构拓扑优化的应用和研究,拓宽ANSYS软件在结构拓扑优化方面的应用领域。     

基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计

为实现某发动机支架轻量化设计,在支架总成整体结构有限元分析的基础上,运用等效刚度原则建立支架局部有限元模型,得到不同工况下的支架位移分布结果.基于TOSCA软件,通过提取结构分析结果对支架结构拓扑优化模型进行敏度分析并形成优化模型列式.优化求解后,在每轮循环迭代中将新的单元密度值重新赋予结构模型,直至满足预先给定的收敛判定条件;设置过滤半径和各类制造加工约束,消除结构拓扑优化中的数值不稳定性问题,改善优化结果的可加工性.对优化前后的计算结果进行对比分析.     

混合B样条实体模型的等几何拓扑优化

等几何拓扑优化方法将经典拓扑优化理论中的有限元分析过程更改为等几何分析计算,从而提 高了拓扑优化的效率与稳定性。针对现有的等几何拓扑优化方法在处理复杂实体结构优化问题时具有一定的局 限性,提出一种非结构化样条实体等几何拓扑优化方法。基于混合 B 样条构造技术,在非结构化六面体网格上 构造具有复杂结构的样条实体,并将其作为拓扑优化问题的设计域。用于描述这一样条实体的基函数被直接应 用于材料密度分布的表达以及等几何分析计算。在数值算例中,该方法表现出应用于复杂结构时的良好稳定性 和鲁棒性。研究成果对等几何拓扑优化方法应用于实际工程问题具有一定的参考意义。     

基础简谐激励下的结构动响应拓扑优化

针对关于结构动响应拓扑优化问题的研究较少、有限元分析软件的拓扑优化模块无法实现的问题,采用变密度法研究连续体结构在基础简谐激励下的动响应拓扑优化.将基础简谐激励下的响应控制问题归结为结构在体积约束下目标点响应幅值最小化的优化模型;推导有阻尼结构在基础简谐激励下目标点响应幅值的灵敏度公式;采用变密度法求解该优化问题.采用多项式惩罚模型解决带惩罚的各向同性固体微结构（Solid Isotropic Microstructure with Penalization,SIMP）模型带来的附属效应现象;采用灰度过滤方法改善经典变密度法在优化过程中灰度单元收敛过慢的问题,从而减少变密度法优化的迭代步数并且使优化结果更清晰.以平面悬臂板模型为例,验证该优化方法对目标点响应幅值的优化以及灰度过滤函数对优化迭代的改善.     

某车型发动机悬置后支架优化设计和疲劳分析

针对某车型发动机在振动强化试验中悬置后支架出现开裂的问题,建立悬置后支架有限元模型并进行应力分析,发现应力分析结果与试验结果一致,且原支架结构应力集中现象非常明显,主要分布在侧筋根部;用OptiStruct对悬置后支架进行拓扑优化设计,结果表明拓扑优化材料应主要布置在底部和侧筋.在此基础上,通过4种优化方案的对比得到质...     

连续体结构的参数化水平集统一优化

针对传统分步式结构优化设计的不足,提出一种同时进行结构拓扑、形状和尺寸统一优化的设计方法.首先采用水平集函数描述统一的结构优化模型和几何尺寸边界,通过引入紧支径向插值基函数将结构拓扑优化变量、形状优化变量和尺寸优化变量变换为基函数的扩展系数;然后取该扩展系数为设计变量,借助一种参数的变化表达3种优化要素对结构性能的影响,将复杂的多变量优化问题变换为相对简单的参数优化问题,有利于与相对成熟的优化算法相结合提高求解效率;进一步用R函数将其融合为一个整体,构造出统一优化模型,并用最优化准则法进行求解.最后通过数值案例证明了该方法的有效性和精确性.