利用协同优化方法实现复杂机械系统的设计优化

利用协同优化方法实现了四辊轧机机座的结构参数设计优化。根据多学科设计优化对复杂系统进行设计优化的思想，提出将复杂机械系统分解为若干个简单的子系统进行设计优化。协同优化是近年来发展较快的一种多学科设计优化算法，描述了应用于复杂工程系统优化设计的协同优化方法。在协同优化的系统级优化中，引入松弛变量，将一致性等式约束转化为不等式约束，松弛变量的取值影响系统级优化的收敛速度。通过对四辊轧机机座的结构参数设计优化，给出了利用协同优化方法进行复杂机械系统设计优化的一般思路，为解决更为复杂的机械系统的设计优化问题打下了基础。算例证明了协同优化算法解决复杂机械系统设计优化问题的有效性。     

磨床床身结构优化设计

基于参数化建模和结构优化设计理论,建立了某磨床床身的参数化有限元模型;以床身的筋板间距和壁厚为设计参数,在保证导轨刚度的条件下,采用整体优化和分层优化的方法分别对床身结构进行了优化设计,达到降低床身自重的目的,并对优化前后的结构进行了力学性能比较。整体优化是指同时优化所有的设计变量,而分层优化是指将设计变量根据其对设计目标和约束条件的影响进行合理分组,逐步优化。结果表明,采用分层优化技术可有效地解决设计变量较多的复杂结构优化设计。     

复杂零件工艺方案全局多层并行优换

针对复杂零件工艺方案全局优化难题,在现有计算机辅助工艺设计(CAPP)成果和优化方法的基础上进行创新,提出一种复杂零件工艺方案全局多层并行优化方法,建立该方法的组成结构,从加工序列、机床、刀具、切削参数以及选择与进化、综合评价等多个层面对工艺方案进行全局并行优化.提出用集合与矩阵构造工艺方案动态基因组和染色体的方法,将复杂的工艺优化问题转变为对集合和矩阵的数学运算.采用分层、加权、综合、抽象和归一化方法构造多工艺方案、多因素、多目标、多约束的工艺方案综合评价模型.根据工艺方案编码的特点,构造与之对应的染色体优化算子和动态基因组优化算子.结果表明,此方法具有良好的实用效果,满足复杂工程应用的实际要求.     

基于iSight平台的港口起重机结构分层动态优化研究

起重机的结构优化是典型的复杂动态多目标优化问题,目前主要依赖设计人员的经验和有限元软件优化模块进行计算,往往存在效率较低、优化算法不够优良、优化结果不尽人意等不足。提出基于ISight平台的大型港口起重机结构多目标分层优化方法,整体层以整机结构性能优化为主要目标,局部层以结构轻量化为主,并以岸边集装箱式起重机(岸桥)为例进行验证。结果表明,该方法能够方便引入先进优化算法,并可实现优化过程自动化及优化变量的离散化。     

机械结构参数化三级优化设计方法研究与实现

针对传统设计方法的设计结果安全系数过高、结构材料浪费严重的问题,在深入研究优化设计方法的基础上,根据现有优化设计方法的不足,提出机械结构的参数化三级优化设计方法。通过建立统一数据管理机制,将优化设计与参数化设计技术相结合,在基于变密度法的拓扑优化设计与单元生死技术的基础上,以结构最大柔度为优化目标,体积和平衡条件为约束条件,小密度单元为杀死单元,实现了参数化的连续体结构拓扑优化;研究了基于拓扑优化结果数据的参数化CAD模型生成技术,通过建立关键点实现了拓扑优化结果CAD模型的自动生成;在此基础上,研究了形状优化设计和尺寸优化设计与参数化设计技术相结合的优化方法;通过优化结果数据提取,快速进行优化结果模型的生成,实现了机械结构的快速参数化三级优化,避免了现有结构优化设计过程中手动进行模型修改更新操作复杂、浪费时间的弊端;最后,以某型号汽车转向器支架为例,验证了该方法的有效性。     

车门结构多目标轻量化研究

针对现有结构多目标轻量化设计采用单一变量(如板件厚度为优化变量)的不足,将网格变形技术创建的形状变量引入到了车门结构多目标轻量化设计中,建立了以板件厚度与车门结构形状同时作为设计变量的参数化有限元模型。对该车门进行了动态试验测试,验证了有限元模型及计算结果的可靠性;考虑到该车门一阶频率过低的问题,将一阶频率最大、车门质量最小作为优化目标,垂向刚度、窗框刚度为约束,进行了试验设计(DOE),通过Kriging函数模型拟合了要优化的目标及约束,经过精度校验,验证了该近似函数模型符合精度要求;最后利用多目标遗传算法进行了寻优计算。研究结果表明:在垂向刚度、窗框刚度满足约束值的情况下,车门质量最终降低2.84 kg(减重达13%),一阶频率提高了25.8 Hz。     

基于复杂工程约束的车身梁截面优化设计

通过对车身梁截面设计约束问题的研究,将车身薄壁梁截面形状优化设计问题和截面的材料、厚度等离散参数优化问题耦合起来。以工程设计中的可装配性和可制造性为设计约束,建立车身梁截面多目标优化方法。该方法以车身梁结构性能、成本、质量为目标,通过对梁截面形状进行独特的编码,实现以梁截面的形状、厚度、材料为设计变量的多目标优化模型,该模型采用NSGA-II遗传算法实现了多目标优化问题计算。基于该方法实现相应的软件模块并建立材料参数与厚度数据库。实例证明,该方法既可用于车身概念设计阶段确定满足设计目标且符合工程要求的梁截面形状参数,也适用于详细工程设计阶段对现有车身截面进行局部优化以增加车身刚度和减小部件质量。     

多足仿生步行机器人的机构设计与功能分析

设计了一种新型的多足仿生步行机器人的机械结构,运用D-H齐次坐标变换矩阵建立其运动学方程,并以最大越障能力为目标函数以连杆长度为约束函数对腿部机构进行优化,得出最佳多足仿生步行机器人的机械结构。基于虚拟样机技术对该多足仿生步行机器人进行爬坡能力、通过复杂路面能力、转弯步态规划等功能分析。仿真结果表明该多足仿生步行机器人机构具有自由度少、控制简单、运动灵活、爬坡能力良好、地形适应性强、转弯稳定性好等特点。     

圆柱螺旋压缩弹簧的多学科协同优化设计

引入多学科设计优化理论解决圆柱螺旋压缩弹簧的优化设计问题。针对圆柱螺旋弹簧优化设计存在的多目标、多约束特点,建立了圆柱螺旋压缩弹簧的多学科优化设计模型,并采用协同优化算法,完成了优化模型的求解。优化结果证明了协同优化算法解决圆柱螺旋压缩弹簧的优化设计优化问题的有效性,为解决更为复杂机械系统的设计优化问题奠定了基础。     

基于多学科协同算法的V型带传动优化

针对带传动优化过程中存在的多目标、多约束特点,采用多学科设计优化理论进行了V型带传动参数的优化设计。以中心距和皮带根数最小为同步优化目标,利用协同优化算法思想建立了两级优化数学模型,其中包括一个系统级模型和两个子系统级模型。运用iSIGHT软件对优化数学模型进行了求解,与现有文献的优化方法相比,中心距和皮带根数均有减小,可以简化结构并降低成本。计算结果表明多学科设计优化在处理多目标优化问题时有明显的优越性。     

典型三维机械结构拓扑优化设计

为了提高拥有数万个单元以上的三维机械结构拓扑优化的计算效率, 基于渐进结构优化方法, 并结合结构位移计算的迭代方法, 建立一套三维机械结构拓扑优化的求解策略和算法.然后, 构建分别用于结构分析和结构优化迭代的两套数据流和它们间的映射方法, 研究和开发三维机械结构拓扑优化设计软件.完成几个典型和复杂的三维机械结构的仿真优化设计.设计结果表明,发展的方法和软件是正确和有效的, 且具有广泛的工程应用前景.     

Robust multi-objective and multi-level optimization of complex mechanical structures

This paper presents a new approach to robust multi-objective and multi-level optimization of the design of complex mechanical structures. The optimization is at two levels: system and elements. At system-level, the robust multi-objective problem has four cost functions: on the one hand the minimization of the global mass and displacement at a fixed point of the mechanical structure, and on the other hand the maximization of both the robustness and the displacement of the mass. At element-level the robust multi-objective problem has two cost functions: minimization of the element mass and maximization of its robustness. A robust condensation technique, based on an enriched Karhunen-Loève condensation, is used for complex structures which require a large finite element model. In contrast to existing formulations, this new approach takes into account uncertainties in the design parameters at system-level and element-level. It also allows for the task sharing which is commonly used in structural engineering.     

考虑结构非线性特征的参数化形状优化方法

提出并实现一种将参数化设计技术应用于考虑结构非线性特征的形状优化设计领域的新方法。参数化设计技术是近年来发展起来的新一代CAD软件平台的核心技术之一。文中基于三维参数化CAD平台，将参数化设计技术、有限元建模技术与有限元分析优化系统集成为参数化的形状优化系统；引入非线性分析技术，以解决工程上大量存在的非线性形状优化问题。该方法克服了以往形状优化方法应用于三维实体结构时所面临的几何形状描述、约束与驱动的困难，为机械产品三维结构优化设计提供一个新途径。     

DISCRETE OPTIMIZATION APPROACH FOR 3-D SPACE PLATE-SYSTEM STRUCTURE

ＤＩＳＣＲＥＴＥＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮＡＰＰＲＯＡＣＨＦＯＲ３－ＤＳＰＡＣＥＰＬＡＴＥ－ＳＹＳＴＥＭＳＴＲＵＣＴＵＲＥ￥ＮｉｅＳｈａｏｍｉｎ；ＪｉｎＭｉａｏ（ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍ...     

LINGO软件在机械工程离散优化设计中的应用

采用专业的优化设计软件LINGO解决机械工程中的离散优化设计问题,LINGO软件编程工作量小、求解效率高,能得到符合工程要求的最优船,可获得比常规优化方法更有效的优化结果。     

Internet环境下机械结构系统的分布式全局协调优化

许多大型复杂结构系统的分结构是由异地分布的设计单位分别进行有限元分析与优化设计的，这样组合起来的结构系统并不能得到真正的优化。研发了通过Internet实现异地分布式结构系统全局协调优化设计的技术。给出了其实现途径、实用软件系统和应用算例。     

Power flow response based dynamic topology optimization of bi-material plate Structures

Work on dynamic topology optimization of engineering structures for vibration suppression has mainly addressed the maximization of eigenfrequencies and gaps between consecutive eigenfrequencies of free vibration, minimization of the dynamic compliance subject to forced vibration, and minimization of the structural frequency response. A dynamic topology optimization method of bi-material plate structures is presented based on power flow analysis. Topology optimization problems formulated directly with the design objective of minimizing the power flow response are dealt with. In comparison to the displacement or velocity response, the power flow response takes not only the amplitude of force and velocity into account, but also the phase relationship of the two vector quantities. The complex expression of power flow response is derived based on time-harmonic external mechanical loading and Rayleigh damping. The mathematical formulation of topology optimization is established based on power flow response and bi-material solid isotropic material with penalization(SIMP) model. Computational optimization procedure is developed by using adjoint design sensitivity analysis and the method of moving asymptotes(MMA). Several numerical examples are presented for bi-material plate structures with different loading frequencies, which verify the feasibility and effectiveness of this method. Additionally, optimum results between topological design of minimum power flow response and minimum dynamic compliance are compared, showing that the present method has strong adaptability for structural dynamic topology optimization problems. The proposed research provides a more accurate and effective approach for dynamic topology optimization of vibrating structures.     

基于特征变量的复杂机械系统优化方法的最优性条件

复杂系统优化设计方法研究是优化设计的一个重要方面，目前，复杂机械系统的优化设计方法主要有直接法和分解协调法，均没有解决复杂系统的优化问题。提出了基于特征变量的优化设计新方法，这种方法在实践中得到了应用，证明是有效的，但该优化方法缺乏理论指导。对基于特征变量的优化方法进行了理论分析，提出了基于特征变量的分级优化结果是原问题最优解的条件，并从必要务件和充分务件两方面论证了该方法优化的结果就是原优化问题的最优解。     

分布式柔性机构拓扑优化设计的理论和算法

将连续体结构的拓扑优化技术应用到分布式柔性机构的设计中,基于变密度法和优化准则法推导并建立柔性机构拓扑优化的一种显式的设计变量收敛格式。结合分布式柔性机构优化设计的人工弹簧模型和虚拟载荷法,提出一种新型的分布式柔性机构拓扑优化设计的多准则优化模型,同时综合考虑柔性机构设计的机械效率要求和结构的刚度要求,并利用伴随敏度分析法进行敏度分析。数值算例证明研究方法的有效性,并分析和讨论优化模型和收敛格式中有关优化设计参数对柔性机构优化设计结果的影响。用激光快速成形技术验证柔性机构概念设计的合理性。