一种基于水平集函数的尺寸优化方法及应用

针对构建结构拓扑、形状、尺寸的统一优化模型的需求,采用水平集函数描述结构尺寸要素的方法,建立了基于水平集法的结构尺寸优化模型。该方法采用水平集函数描述规则孔洞的几何尺寸信息,并通过引入紧支径向基函数进行插值,将尺寸变量转化为基函数的扩展系数。将基于水平集法的尺寸优化方法与基于水平集法的拓扑形状优化方法融合,构建了结构统一优化模型,实现了结构尺寸、拓扑和形状的综合优化。     

多工况悬架下摆臂结构优化设计方法研究

采用了多种优化设计方法,以某悬架结构为例进行了结构优化设计方法研究.通过对车辆行驶工况和对车体空间布置的分析,建立了拓扑优化可设计域和非可设计域,完成了悬架结构的拓扑优化设计,并建立了工程结构.基于强度分布与应力干涉理论,将可靠性理论和优化方法相结合,进行了可靠性优化设计.其优化结果与尺寸优化和形状优化结果进行了对比,证明了优化设计方法的有效性和可行性,为工程结构提供了一种新设计思路.     

一种特大型螺旋桨翻转结构的优化设计方法

传统新产品开发过程中,需要进行产品试制以对产品性能进行检验。但是这种方法对特大型结构件进行设计验证不仅成本非常高,而且设计周期长,有时甚至无法实现。在能源危机的情况下,特大型结构件设计面临的一个重要挑战是如何在减轻自身质量的前提下具备足够的负载能力。文中通过对特大型螺旋桨翻转机结构件的尺寸与拓扑优化的案例研究,提出了一种特大型结构件快速设计与优化的解决方案。该方法利用ANSYS结合HyperMesh软件的尺寸优化和拓扑优化功能,首先对初始设计方案结构进行尺寸优化处理,在满足刚度与强度的前提下,再对其进行拓扑优化修改模型结构,从而减小结构自身质量77%。这种虚拟实验与结构优化技术的结合方法缩短了设计周期、节约了成本,为特大型结构的设计优化提供了技术借鉴。     

基于尺寸和拓扑优化的超大型压铸机 压射支撑结构设计

DM4500压铸机由于上拉杆安装位置偏心,在压射力的作用下三根拉杆的伸长量不同,将导致冲头与压射室因不同轴而快速磨损。利用尺寸优化和拓扑优化技术对压铸机拉杆和企板开展优化设计。首先建立了压射机构的有限元模型,对不同工况下的压射机构进行静力学分析,然后以三根拉杆伸长量差异的最大值作为约束条件,对其进行尺寸优化。在尺寸优化的基础上利用拓扑优化技术对企板进行了轻量化设计,根据拓扑优化的密度云图结果重新设计了企板的结构。再对新的结构进行尺寸优化,获得满足要求的结构优化方案。结果表明,仅进行尺寸优化虽然能够满足设计要求,但是会增重26.3%。采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方案获得的结构能够满足设计要求,同时较原始设计减重3.7%。     

地铁车钩维护工作台轻量化设计

针对传统设计方法下地铁车钩维护工作台尺寸与重量偏大,使得材料成本增大的问题,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法,通过构建拓扑优化模型和尺寸优化模型,进行了从车钩维护工作台拓扑结构到各尺寸参数的优化过程,实现了车钩维护工作台的轻量化设计。在轻量化设计过程中,通过结构的拓扑优化设计得到了材料在设计空间内的最佳分布,在此基础上提取车钩维护工作台拓扑结构,并通过相对灵敏度分析,筛选出对车钩维护工作台质量降低敏感但对性能降低不敏感的设计变量,最后以筛选出的6个变量作为设计变量进行尺寸优化设计。结果表明:优化后的车钩维护工作台强度有所提高,刚度满足设计要求,并且实现减重49.28kg,减重率为30.73%,轻量化效果显著。     

结构与公差同步设计的产品概念设计优化

为保证概念结构设计的可行性与经济性,提出了将公差设计研究提前到概念设计阶段的思想,并研究了其中的关键技术。首先基于一种结构不断生长的独特设计思路,建立了结构与公差同步设计的过程模型和相应的公差表示模型;然后研究了在设计过程中自动生成局部尺寸链和全局尺寸链的方法,给出了公差同步设计,并根据设计结果提出了概念设计优化的整体框架,实现了基于公差的概念设计优化;最后以活塞夹具设计为例,验证了本方法的有效性。     

基于ANSYS分析软件的磁力泵隔离套结构优化设计

在经验设计的基础上,根据设计要求,利用有限元分析软件ANSYS对磁力泵隔离套的结构参数进行优化设计。并将最终优化得到的结构尺寸与原始设计尺寸从应力和位移两项指标进行对比,表明,优化结果对隔离套的结构改进设计具有一定的指导作用。利用ANSYS一次计算即可完成结构的应力和寻优计算,不但完成了结构计算,满足了设计规定的约束条件,也实现了目标最优。     

基于神经网络与杂交算法的机翼结构优化设计

以机翼结构为研究对象,提出了一种能同步解决元件位置优化与尺寸优化的杂交算法.利用MSC.NASTRAN进行尺寸优化,用遗传算法对位置设计变量进行优化,并将尺寸优化结果作为遗传操作的依据,最终实现了尺寸与位置的同步优化.为提高算法效率,利用神经网络的非线性映射功能,对MSC.NASTRAN的尺寸优化结果进行映射以取代其优化过程.算例结果表明,该方法高效、精确,具有很好的推广应用价值.     

基于设计敏度的试验机过渡段结构优化设计

针对试验机机头改装过渡段结构的可优化空间,讨论了基于设计敏度和近似模型的结构优化流程。在保证过渡段各零件拓扑结构的基础上,将上述优化方法应用于过渡段主承力结构的尺寸优化中,在不降低结构强度、关键位置位移、稳定性、固有频率等关键指标上,使结构质量降低了19.76%,表明该优化方法切实可行,是进行后续试验机改装结构精细化设计的有效途径。     

基于形状优化的机械零件设计

任何机械零件都是由几何尺寸和形状构成 ,传统的机械设计方法仅考虑了零件的几何尺寸 ,而对其形状 ,特别是局部形状的设计却考虑不够 ,这些部位往往都会产生应力集中。本文就是将基于有限元分析技术的形状优化方法应用于传统的机械设计过程。使得设计出来的零件既满足常规设计的要求 ,又得到了优化的形状 ,结构的特性与受力状况得到改善     

低比速离心式消防泵的设计与试验研究 

基于加大流量设计法,采取增加分流叶片和增大喉部面积等措施,提出了低比速离心式消防泵的设计方法。运用FLUENT软件对设计的样泵进行了数值模拟,计算结果表明,泵内部流动稳定,静压分布合理,湍动能小且分布均匀。设计的样泵性能曲线平坦,高效区宽,效率高,满足了消防泵的特殊性能要求。通过对比试验讨论了分流叶片和喉部面积对消防泵性能的影响,试验结果表明：分流叶片可以有效地控制轴向旋涡,提高泵的扬程和效率;增大喉部面积有利于获得平坦的性能曲线,同时可以扩大高效区范围和提高最高效率。     

基于近似模型的高速列车头型多目标优化设计

为改善高速列车气动性能,建立一套高效的多目标气动优化设计方法,对流线型头型进行多目标气动优化设计。建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个优化设计变量;为减少优化设计时间,利用最优拉丁超立方设计方法在优化设计空间中进行均匀采样,利用计算流体力学方法获得对应于各个采样点的气动载荷,利用Kriging代理模型构建优化设计变量和气动载荷之间的近似模型;利用多体系统动力学方法计算气动载荷作用下的高速列车轮重减载率;以气动阻力和轮重减载率为优化目标,利用多目标遗传算法NSGA-II对高速列车流线型头型进行多目标优化。优化设计变量和优化目标均呈现收敛的趋势,采用Kriging近似模型优化计算的Pareto前沿与采用CFD（Computational fluid dynamics,CFD）优化计算的Pareto前沿较为接近。优化后高速列车的气动阻力最多可降低3.27%,轮重减载率最多可降低1.44%,气动阻力最优的头型与轮重减载率最优的头型的主要差异在于中部辅助控制线的变化,前者向内凹,后者则向外凸。     

带式输送机头部支架的结构优化设计研究

采用有限元法,建立了带式输送机头部支架的有限元力学模型,利用10节点四面体单元进行网格划分,并进行了受力分析,完成了头部支架有限元结构分析。利用ANSYS软件的APDL参数化语言,建立了头部支架的结构优化设计数学模型,创建了优化控制文件程序(ODPST),完成了头部支架的结构优化设计,取得了合理和满意的设计结果。     

基于载荷波动最小的掘进机截割头截齿排列参数优化设计

根据单个截齿受力模型和计算公式,确立了截割头横摆截割时载荷波动的计算方法。通过分析截齿排列参数对截割头栽荷的影响,提出了降低载荷波动的策略,建立了基于载荷波动最小的截割头截齿排列参数优化设计数学模型。采用序列二次规划(SQP)方法编写了优化设计程序,并对某型号掘进机截割头的截齿排列参数进行了优化设计。优化前后统计数据表明,截割头的载荷波动明显降低,提高了掘进机的工作可靠性。     

锥形连接钎杆平头倒角专机的设计

钎钢钎具制造是一个劳动密集型的行业,随着国内劳动力使用成本快速的增高,提高装备自动化水平,减员增效,是本行业应对劳动力成本快速升高的重要手段。平头倒角,是锥形连接钎杆生产的一个重要工序,两人同时操作是该工序的行业现状。本文介绍了一种只需一人操作的平头倒角专机的设计概况。为钎钢钎具行业的平头倒角工序的装备配置提供了又一个选择。     

海水柱塞泵的低泄漏高效率研究

以海水作为介质时,柱塞泵通常存在泄漏大、容积效率低等缺点.为了研究海水柱塞泵的低泄漏高效率性能.优化柱塞泵性能,建立了海水柱塞泵配流阀的数学模型,推导出了配流阀弹簧刚度、预紧力和阀芯开度的优化设计公式,同时利用AMESim对泵进行了建模和仿真,仿真结果表明:根据前述优化设计公式设计时,通过选取合适的参数,可以减小海水泵...     

基于模糊熵的16V280ZJA型柴油机缸盖螺栓的可靠性优化设计

缸盖螺栓工作的可靠性将严重影响柴油机运动件的整体动平衡、功率及油耗状况。将模糊设计与优化设计理论相结合,并引入熵理论,整理并推导出柴油机缸盖螺栓可靠性优化设计数学模型,通过Matlab编程实现数值解的计算及图形输出。该方法在DF8B型货运内燃机车装用的16V280ZJA型柴油机上进行了实例设计,结果表明,该方法设计的螺栓比原设计方案的质量减小了55.56%,优化效果十分明显。     

TBM刀盘支撑筋布置优化

综合考虑刀盘支撑筋支撑和出碴的功能，建立了以刀盘强度和刚度为优化目标的刀盘支撑筋布置优化设计模型，基于Workbench平台采用神经网络拟合方法建立了刀盘强度和刚度与刀盘支撑筋位置之间的映射关系，进而采用NSGA多目标优化方法进行了有效求解。结果表明：在3种岩石边界和极限工况下，优化求解的方案在刀盘强度和刚度方面均优于原始方案，为TBM刀盘支撑筋结构设计提供了一种新的思路。     

横风下高速列车流线型头型多目标气动优化设计

为改善高速列车的横风气动性能,建立高速列车流线型头型的多目标优化设计方法,以横风下高速列车的侧力和升力为优化目标,对高速列车流线型头型进行多目标自动优化设计。建立高速列车流线型头型的参数化模型,提取出5个优化设计变量,利用计算流体动力学方法进行高速列车流场计算,并结合多目标遗传算法,实现横风下高速列车流线型头型的自动寻优设计。通过相关性分析,得到影响侧力和升力的关键优化设计变量,并进一步研究关键优化设计变量和优化目标之间的非线性关系。经过多目标优化设计,获得一系列的Pareto最优头型,这些头型的横风气动性能均得到明显改善。同时为保证无风环境下高速列车的基本气动性能不发生恶化,最终筛选出8个Pareto最优头型。对于这8个Pareto最优头型,相对于原始头型来说,横风下的侧力最多可降低3.06%,横风下的升力最多可降低19.60%,无风时的气动阻力最多可降低4.51%,无风时的气动升力最多可降低9.68%。     

基于几何非线性有限单元法的温控器用片弹簧优化设计

利用几何非线性有限单元法对温控器用片弹簧参数进行了数值计算,并通过与实际测试结果的对比,验证了基于几何非线性有限单元法求解温控器用片弹簧参数的可行性和正确性。在此基础上,运用MATLAB优化工具,对片弹簧的结构尺寸进行了优化设计。然后建立触头弹跳的ADAMS仿真模型,并利用激光位移测试方法对模型进行了验证。最后利用ADAMS软件对温控器进行触头弹跳仿真分析。结果表明：基于几何非线性有限单元法优化设计的片弹簧能有效抑制动触头的弹跳。