抽油机数字样机建立与关键部件数值仿真分析

采用虚拟样机技术,以游梁式调径变矩抽油机为研究对象,首先建立抽油机的三维实体零件模型,其次在UG环境下完成整体的装配,并在ANSYS的工作环境下对抽油机关键部件(驴头)进行数值仿真分析,得到关键部件的应力、应变以及应力集中等基本数据,为关键部件的结构优化设计提供依据。     

采用多点逼近遗传算法的屈曲约束下桁架拓扑优化

基于线弹性屈曲理论,讨论了杆单元建模及欧拉单杆失稳判据在桁架结构稳定性分析中的缺陷。为更精确地获得桁架屈曲响应,建议以梁单元进行有限元建模,并利用特征值屈曲分析来获取结构各阶失稳载荷因子及屈曲模态。分析了从基结构法出发求解特征值屈曲约束下桁架拓扑优化问题所存在的求解困难与奇异性。为有效求解该类问题,采用了多点逼近遗传算法,对离散拓扑变量和连续尺寸变量进行了联合优化。同时,通过屈曲模态识别、删除杆件屈曲模态过滤、局部约束临时删除等措施,特征值约束下的求解困难和删除杆件在优化过程中的不利影响也得到了克服。数值算例验证了本文结构建模及优化方法的有效性,同时也表明了该方法具有较高的效率,能够凭借较少的结构分析次数来获得优化解。     

无驴头增程抽油机设计及分析

常规游梁式抽油机采用驴头与钢丝绳将曲柄摇杆机构产生的圆弧曲线变为直线,满足了抽油机工作要求。本文设计了一种无驴头增程抽油机,其特点是取消了驴头,在传统的游梁式抽油机上增加了辅助直线机构。根据该抽油机的结构特点,对其建立了数学模型,并用解析法求出了悬点位移、速度、加速度曲线。研究了辅助机构长杆、短杆长度对抽油机冲程和尺寸的影响,为无驴头增程抽油机的优化设计提供了参考。利用有限元软件对其关键部件进行力学分析,并在满足安全要求下进行拓扑优化,降低了生产成本,提高了经济效益。     

离散变量三段式车架轻量化设计

研究优化设计中设计变量的离散化处理,完成三段式车架的静动态特性分析和轻量化设计。首先,以某中型越野车车架为优化对象,采用实验设计方法进行了设计变量的灵敏度分析,并在对设计变量进行必要的取舍基础上建立了结构优化模型。其次,采用多岛遗传优化算法计算车架在三种工况下的最大应力、位移和自由模态下的固有频率,以完成在结构满足固有频率、几何尺寸和强度等约束条件下的车架各板材离散化尺寸的优化。优化结果表明:在可行域范围内,不仅使车架的质量降低了5.7%还避开了激励频率。     

GMCU2060龙门加工中心横梁的结构优化设计

基于HyperMesh平台,采用密度拓扑优化方法,以应变能最小为目标,以体积分数、位移为响应建立结构拓扑优化模型,运用该模型完成GMCU2060龙门加工中心横梁横截面的拓扑优化设计,然后利用尺寸优化方法得到横梁的最优尺寸,建立横梁的三维模型,并对其进行动静态分析.分析结果表明：在最大位移几乎不变的情况下,改进后的横梁质量减少了7.5％,一阶固有频率由104 Hz提高到120Hz,满足设计指标要求.     

基于功能截面分解的大型横梁拓扑优化

针对复杂载荷工况下横梁等大型三维结构件拓扑优化结果可读性差、无法对结构优化提供有效指导的问题,提出基于功能截面分解的拓扑优化方法。基于力的分解与等效原理,将三维实体分解为三个平面内的二维功能截面,根据各功能截面的受力方式确定其抗弯或抗扭属性;在此基础上,分别对两个主要承载的功能截面进行二维拓扑优化分析,并综合二维功能截面分析结果完成三维实体的整体拓扑优化,实现了将三维实体拓扑优化问题转化为二维功能截面的拓扑优化问题。以CXK5463车铣加工中心横梁为例,对结构拓扑优化效果进行了验证,仿真实验结果表明,功能截面分解方法可以得到清晰的应力传递路径,在保证横梁静动态特性基本稳定的基础上,横梁减重12.67%,优化效果较为明显。提出的方法可为大型、重型复杂结构件的拓扑优化研究提供借鉴与参考。     

一种复合金属板材非线性载荷下的后屈曲分析

在前人研究的基础上,主要研究非线性载荷条件下,复合金属板材的屈曲失稳问题。研究发现,复合金属板材的材质会影响屈曲失稳。     

岸桥斜撑的抗震拓扑优化

斜撑的布置方式对岸桥的抗震能力影响很大,为此提出一种基于拓扑优化的岸桥斜撑设计方法。将岸桥的上部门框和下部门框定义为斜撑拓扑优化的设计域。根据岸桥结构的特点定义岸桥的抗震性能要求,以斜撑的塑性变形、主体结构的弹性变形为约束,建立岸桥斜撑抗震拓扑优化的数学模型。为提高斜撑的抗压承载能力和耗能能力,将屈曲约束支撑应用到岸桥斜撑的设计中。采用非线性优化求解器对所提出的数学模型进行求解。将优化后的岸桥结构在OpenSees中建模,分析岸桥在地震作用下的弹塑性变形情况。结果表明:基于屈曲约束支撑的岸桥斜撑拓扑优化方法,可得到符合岸桥抗震性能要求的斜撑布置方案。     

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MATLAB的机械采油仿真系统开发及应用

为了对机械采油系统在复杂环境下的工作状况进行虚拟仿真分析,采用MATLAB语言开发了机械采油数字化仿真系统.该系统将机械采油系统分解成抽油机、杆管组合、油藏、电动机、减速箱等五个部分进行信息处理和数据库管理;将牛顿-辛普森法应用于抽油机四连杆机构的非线性运算,并进行抽油机的优化及仿真分析;采用有限差分法求解抽油杆柱振动力学模型,进行机械采油系统的动态仿真.基于数字化仿真系统,采用非圆齿轮对抽油机减速箱传动方式进行了优化,并仿真分析了其优化效果.     

船体板材成形模具与装备耦合分析

通过对船体板材成形模具与装备的一体化耦合建模,采用有限元分析模拟软件ANSYS对其刚度和强度进行模拟分析,然后与装备自身的刚度和强度进行对比分析,找出成形模具与装备各自对船体板材成形精度的影响,从而优化船体板材成形模具与装备的刚度和强度设计.在保证船体板材成形精度的前提下,可以合理简化成形模具与装备的结构,降低生产成本,获得更高的经济效益.     

电动车变速器箱体拓扑优化设计

针对电动车变速器箱体结构,从正向设计的角度采用变密度的拓扑优化分析方法对箱体内、外筋板及外廓结构展开拓扑优化分析。箱体的拓扑优化以加权应变能作为优化目标,以箱体体积分数、位移、应力、模态频率和制造加工方式为约束条件。基于拓扑优化结果,同时考虑箱体结构的安装、润滑、冷却等功能要求,完成箱体结构的优化设计,并对优化设计的箱体结构进行了有限元静强度和模态特性分析。结果表明,电动车变速器箱体结构静强度和模态频率均高于设计指标,实现了电动车变速器复杂箱体结构的拓扑优化设计。     

游梁式抽油机中游梁支撑轴的研究与分析

以游梁式抽油机的主要磨损部件游梁支撑轴为研究对象,对其进行运动分析。同时建立游梁式抽油机的机构简化模型及游梁支撑轴的力学模型,分析游梁支撑轴在工作载荷下的受力和载荷分布。所做研究为优化油梁支撑轴设计,避免游梁支撑轴损坏,延长游梁式抽油机使用寿命提供了参考。     

引入情感因素进行抽油机的外观造型改进设计

阐述了情感因素在机械产品外观造型中的作用及机械产品设计中引入情感因素的必然性.沿着注重文化的情感设计方向,采用中国传统文化元素为基本的设计思路,并应用现代工业产品造型设计中的仿生设计方法,在保证抽油机性能不变的前提下,对常规游梁抽油机的游梁、驴头和支架进行了外观造型改进设计.对改进后的抽油机进行动力学分析、有限元分析,从而验证了改进后的抽油机的实用性和安全性能.最后完成了抽油机的三维效果图制作,实现了机械产品外观造型设计的情感化.     

基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化设计

针对多工位级进模模具,提出了一种基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化方法。先通过板材冲压成形有限元数值模拟得到变形板料对模具的作用力,利用自主开发的载荷映射工具构建级进模模具结构分析的力边界条件;再通过模具结构分析,明确模具结构优化的空间;最后结合拓扑优化算法对模具结构进行了优化设计。以某汽车连接器件级进模模具为例对该方法加以验证,与按传统方法设计的模具相比,优化重构后的模具在重量保持不变的情况下最大变形量减小了36.5%。对优化重构后的级进模在冲压成形过程中的应变值进行了测量,应变实测值与结构分析结果比较吻合,表明文中所提出的级进模模具结构拓扑优化方法是切实可靠的。     

基于可靠性的连续体结构拓扑优化设计

建立水平集函数为设计变量、刚度极小化为目标、具有可靠性约束的连续体结构拓扑优化模型,并提出相应的优化算法.文中提出的基于可靠性的结构拓扑优化算法方法分为两个步骤,结构可靠性分析和结构拓扑优化.可靠性分析采用计算简便、效率高的一次二阶矩法,结构拓扑优化设计则应用稳定高效、最优结构清晰的水平集方法.最后以悬臂梁结构的可靠性拓扑优化为例,表明文中提出的方法既简单又有效.     

注塑机械手臂的静力分析与拓扑优化

用Solid Works对注塑机械手进行建模,通过有限元分析软件ANSYS对机械手最危险工况进行静力分析,得到其位移应力变化特性,并在此基础上对机械手模型进行拓扑优化。在满足刚度和强度的要求下,依据拓扑云图对机械手基座和主臂梁进行结构优化,通过优化设计,减少机械手30%的重量,降低机械手的生产成本。结果表明拓扑优化的机械手静力特性与拓扑前的机械手相比变化很小,符合要求,故这里为机械手的结构优化设计提供一种切实可行的优化方法,提高了工作效率并降低了成本和缩短了产品研发周期。     

直驱式抽油机平台支腿的有限元分析

基于ANSYS Workbench软件对新型高效节能直驱式抽油机8型机平台支腿进行了分析研究,建立了平台支腿的有限元模型,针对不同工况栽荷下和单边悬点载荷下基础不同倾斜角度时抽油机平台支腿进行分析计算,得到不同工况载荷下平台支腿的应力分布和基础倾斜角度对平台支腿的应力影响规律,为该系列抽油机的结构优化设计、安全性能分析提供有力的依据,提高该产品在市场的竞争力.     

汽车悬架误用工况下前下摆臂屈曲分析与优化

在某汽车开发过程中,前下摆臂在悬架误用试验工况下发生弯曲。经实车拆解分析,前下摆臂弯曲的原因是在该工况下发生了屈曲。通过建立整车动力学模型,模拟汽车悬架误用试验工况,获取前下摆臂载荷并进行屈曲仿真分析。分析结果显示:该误用工况下,前下摆臂已发生屈曲,屈曲位置和实际弯曲位置一致。基于该误用工况对前下摆臂进行优化设计,制作优化方案样件,经过台架试验验证仿真分析的正确性,并进行实车误用试验,没有发生弯曲。研究为汽车悬架前下摆臂的屈曲性能设计提供了参考。     

拓扑优化在XH2725机床横梁结构优化中的应用

基于连续体ICM拓扑优化方法,以动力学仿真分析为基础,利用先进的有限元分析软件,建立了某数控加工中心横梁结构拓扑优化模型.根据对模型的拓扑优化结果分析,确定了横梁的最佳结构方案,仿真结果表明其动、静态特性有较大提高.