基于响应面法的桥梁主桁架结构优化设计

对复杂结构进行优化设计和可靠性设计时,利用传统的设计方法可能会遇到计算量太大的困难,应用响应面法是有效地解决该问题的途径之一.文中将响应面法和有限元技术相结合,建立了桥梁主桁架的挠度、弯曲应力与结构尺寸的函数表达式,继而对主桁架进行了结构优化设计,最后对优化结果进行了有限元分析和验证.设计计算结果表明,对于桁架结构设计这类问题,响应面优化设计具有很好的应用价值.     

基于响应面法的桁架结构优化设计

基于数学分析的结构优化设计方法是建立在数学优化算法、结构分析和计算机技术上的优化设计方法。文章采用响应面法(RSM)对桁架结构进行优化,以有限元软件ANSYS为计算平台,以最小质量为目标、最大变形为约束,通过试验设计软件Design-expert建立了挠度与结构质量的函数表达式,求得最优解,并对结果进行了有限元分析与验证。针对同一问题,又采用ANSYS自带的优化程序,采用一阶优化方法,同样得到了优化解。对两种优化方法取得的结果进行比较,表明了响应面法在桁架结构优化问题中有很好的应用价值。     

基于有限元的轻量化焊接桁架结构优化设计

采用经验公式进行强度验算的传统方式已经不适应当前复杂化的桁架结构设计,通过ANSYS软件进行有限元模拟优化分析进行结构设计是新的技术手段。利用ANSYS Workbench软件,进行静态分析、屈曲分析和响应面分析,通过协同设计、逐步优化的方式,最终得到斜四棱柱式焊接桁架结构。通过瞬态分析对其最大承载力进行预测,结合实验验证了预测承载力的准确性。结果表明:基于ANSYS有限元优化的结构与试验焊接桁架的承载能力接近,对桁架结构失效变形预测准确;通过逐步优化的方式有效提高桁架结构单位质量的承载力,实现结构轻量化。     

基于改进响应面法的桁架结构的可靠性分析

在对现有结构可靠度计算方法进行深入研究的基础上,文中提出了一种结构可靠度计算方法,以便能将桁架结构可靠度分析更加高效。这种分析方法是通过改进的响应面法进行的,旨在减少桁架结构可靠度计算中涉及的计算工作量,并利用APDL命令流对桁架结构进行建模。在不能或难以获得功能函数与其变量之间明确表达式的复杂结构中,应用Matlab-Ansys数据交互寻找一个合适的、能够近似等于原始功能函数的显式功能函数式(RSF)代替原始的、近似隐式的功能函数(LSF),获得显式功能函数式(RSF)后分别使用Ansys中PDS模块的蒙特卡洛法-响应面分析法（MCS-RSM）混合模拟法和遗传算法(GA)进行迭代计算可靠性指标和设计点,并以桁架结构为算例进行分析比较。结果表明：使用Matlab-Ansys数据交互较易获得显式功能函数式(RSF),遗传算法（GA）可将计算效率提高95%以上。     

水下机器人耐压壳体结构优化

基于响应面法对水下机器人耐压壳体结构优化,以耐压壳体结构5个尺寸为优化变量,借助ANSYS求解结构应力响应数值,利用组合试验缩小优化变量范围后进行响应面试验设计,优化约束条件为耐压壳体强度和稳定性满足要求,目标函数为壳体质量最小,利用Design-Expert试验设计软件进行响应面优化求解,将结果与利用1st Opt数值计算软件得到优化数值对比,最终优化结果为耐压壳体质量降低15.52%,且壳体满足强度和稳定性要求,达到优化目的。     

复合材料加筋结构的神经网络响应面优化设计

针对复合材料加筋结构优化设计的复杂性,提出利用人工神经网络结构近似分析响应面来反映结构设计输入与结构响应输出的全局映射关系的优化方法。通过正交试验设计选取合适的结构有限元分析样本点,进行神经网络响应面的构建和训练;将神经网络响应面作为目标函数或者约束条件,汇同其他常规约束条件完成优化模型的建立,并应用遗传算法(GA)进行优化,从而形成一套适应性强的的高效优化方法。以复合材料翼身融合体帽型加筋板的质量优化为实例,建立加筋板模型的重量响应面目标函数、强度和翘曲稳定性响应面约束条件;通过PATRAN/NASTRAN有限元软件进行有限元计算,获取用于响应面训练的样本点数值。算例结果表明,该方法能以很少的有限元分析次数取得高精度的响应面近似模型,并且使优化计算耗时大为减少,优化效率大大提高。     

基于响应面法的挖掘机三油缸结构动臂轻量化设计

考虑到三油缸结构动臂的结构特殊性,以及传统经验方法在结构设计上的保守性因素,提出了基于响应面法的变厚度轻量化设计方法,并搭建了基于多学科优化软件Isight、有限元软件Nastran以及利用Python语言二次开发的集成优化环境。基于板壳理论与测试数据建立了三油缸结构动臂危险工况的有限元参数化模型,并以其主要板厚尺寸为初始设计变量,以结构强度、刚度及重量为模型响应,结合最优拉丁超立方设计法对初始变量进行了灵敏度分析,使用筛选后的设计变量拟合响应面模型(RSM);以结构强度和刚度为约束条件,动臂质量最小为目标函数,采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明,在保证结构性能的前提下,该方法轻量化设计后的动臂减重14.7%,优化效率较有限元模型提高84%左右,优化效果显著且大幅度缩短了设计周期。     

响应面法的温差发电器优化设计

为提高温差发电器的发电效率,同时保证整机轻量化,提出了以发电器结构参数为设计变量,以质量、排气背压和发电片两侧温度差为目标函数的整机多目标优化设计方案。首先利用中心复合设计法、有限元法分别进行设计点的选取与计算。其次利用响应面法构建设计变量与质量、温差、排气背压三个响应量的响应面模型,并进行了灵敏度分析。通过多目标遗传优化算法进行基于响应面模型的多目标优化,优化后温差发电器的发电效率提高了7.3%。最后对优化结果进行了可靠性验证。     

光伏板清扫机器人支撑架轻量化优化设计

以光伏板清扫机器人支撑架为例提出了1种基于拓扑优化与响应面法相结合的轻量化设计方法。对支撑架受力进行有限元分析并对模型拓扑优化;然后利用Box-Behnken设计实验得到7个设计变量的数值模拟样点,通过响应面方法进行2次回归拟合得到响应面模型;最后,利用非支配多目标遗传算法对近似模型进行了迭代优化计算,得到Pareto最优解集。结果表明:轻量化优化后的支撑架的质量减轻了24.6%,应力下降了1.007 MPa。     

基于RSM-AGA的永磁驱动器周向开槽的参数优化设计

针对永磁驱动器工作效率较差的问题,提出一种导体盘上周向开梯形槽的永磁驱动器,采用有限元仿真确定了永磁驱动器导体盘的开槽个数,联合中心复合设计和响应面法建立了响应变量与设计变量之间的响应面模型。基于该模型,选择适当的约束条件,以传动转矩最大和涡流损耗最小为优化目标,利用自适应遗传算法对永磁驱动器的开槽结构参数进行优化。优化结果使开槽结构永磁驱动器的传动转矩与原始设计相比增加了24.439 8 N·m,涡流损耗减小了36.44 W,重量减小了3.748 1 kg。有限元仿真实验验证了开槽结构可以优化涡流路径,减少杂散电流,进一步提高永磁驱动器的传动转矩。     

叶片砂带磨抛装置关键零件的结构优化设计

针对叶片砂带磨抛装置的关键零件——机架和主动柔顺装置支架,以关键零件的静动态特性为优化目标,结合拓扑优化和多目标优化进行了结构优化设计。首先,根据磨抛装置各机构的安装需求初步设计机架模型,利用拓扑优化的轻量化特性设计改良的机架结构;然后,将磨抛装置关键零件的装配体作为优化对象,结合均匀设计法、灵敏度分析和响应面法建立其静动态特性与对其有显著影响的结构特征之间的二阶响应面模型;最后,以关键零件的静动态特性为优化目标,基于二阶响应面模型和NSGA-II(算法),对磨抛装置机架和主动柔顺装置支架的结构参数进行多目标优化。结果表明,拓扑优化可以获得磨抛装置较好的机架设计结构,多目标优化可进一步优化磨抛装置关键零件的结构特征,减少磨抛装置后续的优化迭代过程。     

仿生轻质结构在飞机大开口区的应用及其优化设计

将一种新型的仿甲虫鞘翅轻质结构应用于飞机大开口区的筋板结构设计,根据飞机大开口区对结构静/动态性能和散热性能的要求,分别构造目标函数,并采用拉丁超立方试验设计方法确定样本点数,建立有限元参数化模型进行仿真计算,利用响应面法得到各目标函数的响应面拟合函数,之后设定结构的多功能协同优化目标,并通过线性搜索法进行协同优化设计,优化后计算得到仿生轻质结构的散热性能、抗压刚度分别是优化前的14.3倍和2.1倍,动态性能指标得到明显改善,在相同载荷条件下结构减重11%;进一步以飞机大开口区加筋结构的一阶屈曲因子和最大位移作为优化约束条件,并以结构总质量最小为优化目标,构造各自响应面拟合函数,基于遗传算法优化筋板结构整体布局。优化后开口区加筋结构总质量减少15%,屈曲因子为1.02,较优化前提高21%,结构最大位移为12.1 mm,较优化前减少20%,优化效果显著。     

基于响应面法的高温高压染色机筒体壁厚优化设计

使用响应面法取代高精度工程模拟可以减少设计周期和成本,同时是解决复杂结构优化设计的有效途径。将有限元法和响应面法相结合,建立了染色机筒体壁厚与高温高压染色机最大主应力的函数表达式;并以染色机质量最轻为目标函数,对染色机筒体壁厚进行了优化设计;最后通过有限元仿真对优化结构进行了验证。优化后染色机的质量减轻了0.061 t,并且满足应力要求。结果表明,基于响应面法的染色机筒体壁厚优化设计具有很好的应用价值。     

振动式分选机的设计与响应面优化

针对废铅酸蓄电池再利用的预处理过程,提出具有实际意义的振动式分选机的优化设计方法。首先,计算相关参数获得初始模型,借助ANSYS Workbench进行有限元分析,使其初步符合设计要求。其次,以减小质量、提高强度和提高第三阶固有频率为优化目标,选取关键尺寸参数为设计变量,通过中心复合试验设计方法选取合适的有限元分析样本点,利用最小二乘法拟合含交叉项的二次多项式,获得目标与变量的近似响应面数学模式,再运用遗传算法进行优化获得全局最优解。最后,对比有限元计算值与响应面计算值验证响应面法可行性。结果表明:减少质量5.9%,降低最大等效应力46.9%,提高第三阶固有频率30.1%,降低了优化计算量。     

基于ANSYS的双井抽油机机架结构可靠性分析

运用有限元软件ANSYS的APDL建立了双井抽油机机架结构有限元模型,利用其提供的蒙特卡罗法和响应面法对双井抽油机机架结构进行整体可靠性分析,结果表明机架结构合理可靠。从计算结果可得基于响应面的蒙特卡罗法的计算精度和计算效率都要优于传统的蒙特卡罗法,为今后利用现代方法设计抽油机机架起到了一个很好的引导作用。     

基于ANSYS的浮空器组阵结构屈曲分析及优化设计

针对空间太阳能电站地面演示系统,提出了一种空间大型浮空器组阵结构,利用ANSYS有限元软件建立其桁架结构的三维模型并进行结构屈曲分析,判断桁架结构的稳定性.以第1阶临界屈曲载荷为约束条件,对桁架梁截面的型材进行尺寸结构优化.通过响应曲面分析和多目标遗传优化算法找到设计优化点,使优化后的桁架结构在保证结构稳定的前提下实现...     

面向约束优化的改进响应面法在车身轻量化设计中的应用

轿车车身轻量化设计是一个多约束的复杂系统优化问题,且必须满足各项车身结构性能,其中碰撞安全性是先决条件.实际中普遍采用试验设计和响应面法相结合的手段开展轻量化研究.针对传统响应面法拟合约束函数易引起优化解落在非可行域内的缺陷,提出一种面向不等式约束函数的改进响应面法,使近似约束边界分布在可行域中,得到能够满足设计约束的优化解,数值算例验证了改进响应面法在处理约束优化问题中具有比传统响应面法更为明显的优势.将其应用到车身轻量化设计中,结果表明,基于本研究提出的改进响应面法的轻量化方案优于传统响应面法,整车耐撞性能得到提高的同时实现车身前部结构减重21.4%,为开展车身轻量化设计研究提供可借鉴的方法.     

动车组电机吊架多目标可靠性优化设计

为提高高速动车组电机吊架的承载能力,考虑几何参数的随机性,将响应面法和多目标遗传算法相结合对其进行可靠性优化设计.首先,对电机吊架进行静强度和位移灵敏度分析,找出设计变量;其次,对设计变量进行中心组合试验设计,根据试验设计点来拟合静强度和位移的多项式响应面模型;然后,将几何参数的随机性转化为可靠度,运用最小二乘法拟合可靠度函数方程作为约束条件;最后,运用多目标遗传算法对电机吊架进行可靠性优化设计.研究结果表明:响应面法与结构可靠性优化方法相结合,可以简化求解过程,提高优化结果的可靠度.     

基于设计验算点拟合的响应面法可靠性分析

对于复杂机械结构的可靠性分析，通常需要形式简单的功能函数来定义结构失效，响应面法是结构可靠性分析中最常用的近似功能函数形式，传统近似过程在以基本随机变量均值点为中心开展拟合实验，对于大多数可靠性问题可以得到满足工程需要的结构可靠度。针对核电设备等精度要求较高的结构可靠性问题，文中提出基于设计验算点拟合的响应面近似功能函数，并采用矩法计算结构可靠度，仿真结果表明，基于设计验算点拟合的响应面更接近真实失效曲面，结构可靠度精度明显提高。     

基于RSM和NSGA-Ⅱ法的重载机械臂结构优化设计

文中针对桥隧复杂环境下多相受力机械臂的结构优化研究,建立了关于重载机械臂的臂架结构的有限元分析模型和结构力学模型。首先根据结构力学模型选取优化设计参数,并采用拉丁超立方抽样方法设计优化样本点,其次构建二级伸缩臂的响应面近似模型,最后建立以质量最轻为设计目标的优化模型,根据响应面复相关系数判断该响应面拟合准确度。在获得响应面模型后,运用多目标遗传算法寻求二节伸缩臂结构参数设计的Pareto前沿解并以此为基础选择优化方案。研究结果表明,伸缩臂的质量减少12.90%。相较于传统结构设计的经验化设计,既节约材料又能满足力学性能的要求,对同类结构的优化问题具有一定指导意义。