机床结构轻量化设计研究进展

对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。     

基于ANSYS Workbench的悬臂支架拓扑优化

针对新型静水压测试仪结构设计中悬臂支架存在质量偏重、运行不稳定的问题,将静力结构分析和拓扑优化分析引入其设计中,在经验方案基础上把尺寸余量适当放大,利用ANSYS Workbench静力分析模块进行分析,得出所需结果后,将数据引入优化模块作拓扑优化分析,在质量条件允许的最合理范围内进行分析优化,将会提高产品零部件设计优化的准确度,并达到轻量化的目的。依据拓扑优化分析结果和零部件实际工况,建立悬臂支架三维模型,分析并优化悬臂支架变形和应力的分布。最终得出结论,在此理论基础上设计出的悬臂支架能够满足实际工况需求,证明了该方法的合理性,为静水压测试仪悬臂支架的设计开发提供了新思路,为提升静水压测试仪性能、降低批量生产成本和整机重量提供了可能,具有一定的实用价值。     

基于支腿形状优化的带悬臂门机轻量化研究

悬臂端的静刚度通常对带悬臂的门式起重机轻量化设计起控制作用。这种情形下,使用常规的仅以各结构件截面尺寸为设计变量的优化方法,轻量化的效果通常不理想。以32t-26m带悬臂的L型门式起重机为例,针对悬臂端的静刚度不足问题,在主梁截面尺寸为优化参数的基础上,增加主梁和支腿连接宽度作为优化设计变量,并提出一种非对称的支腿结构形式。分析结果表明:采用改变支腿的连接宽度或支腿形状的方法,门机的质量分别减少10.47%和12.85%,可明显提高轻量化的效果。     

一种上肢康复机器人机械臂的结构优化分析

设计了一种上肢康复机器人,其运动部分采用大L形悬臂梁结构来实现,因而其静态刚度和转动惯量的最小化是该机器人结构优化的主要目标。根据人机肩关节轴对齐度的要求,确定了静态刚度满足的条件;通过拓扑优化计算,对运动结构件进行了轻量化设计。通过对比优化前后的结构,表明修改后的结构力学性能明显改善,完全满足设计要求。     

基于Altair-OptiStruct的客车车身结构拓扑优化设计

采用Altair-OptiStruct对某型客车车身结构进行拓扑优化计算,实现客车车身结构轻量化设计。根据优化空间最大化的原则,建立车身拓扑优化模型,然后分别对弯曲工况和弯扭组合工况进行车身结构拓扑计算,最后对新的车身结构性能进行验证评价。结果表明:拓扑优化后的车身骨架性能得到了提高、质量减少3.8%,优化结果可为客车轻量化设计提供参考。     

卧式加工中心移动立柱的轻量化设计和拓扑优化分析

利用结构拓扑优化技术,实现了对卧式加工中心立柱的轻量化结构分析与设计。基于拓扑分析结论,按照结构优化设计的方法,提出了"去除立柱后方上部部分材料"和"立柱两侧适量减材"的两种轻量化设计方案。通过对以上两种方案各自模态数据的对比,得出立柱拓扑优化方案与原方案的对比结论,实现了利用结构拓扑优化的研究方法对机床典型支承件的结构轻量化设计及结构性能验证。     

某型纯电动汽车电池托架结构的优化设计

采用有限元分析法,对原电池托架结构的模态特性进行分析,结果表明该托架结构的刚度不足,导致其一阶模态频率较低。针对这一问题,首先采用拓扑优化法对托架横梁的外形结构进行优化,获得了满足模态特性的横梁拓扑结构;然后,再采用尺寸优化法,对托架中各结构件的厚度值进行优化,得出了一组更为合理的尺寸参数值,使得托架结构在满足模态特性基础上质量最小,实现了汽车轻量化设计。     

机床大件结构的拓扑优化设计

根据机床结构件的特点，提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法，并对结构进行有限元分析和优化设计，从而实现的自动设计，为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试。     

基于拓扑优化的适配器支撑架轻量化设计

以某支撑架为研究对象,采用有限元分析结合拓扑优化的方法,在Workbench平台上对支撑架进行结构轻量化设计。首先,利用UG软件建立支撑架初始结构的力学模型并基于Workbench软件进行静力学分析;在此基础上,进行拓扑优化,优化目标是在满足支撑架刚度和强度的前提下,对其进行轻量化设计;根据优化后的结果结合经验设计方法,对原始支撑架进行了重构设计并进行有限元分析验证。结果表明:改进后的支撑架结构,质量减小了82.37%,实现了轻量化设计。     

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。     

大型轮轨式天线方位座架优化设计

大型轮轨式天线方位座架是整个结构非常重要的部分,在结构布局合理且满足设计要求的前提下,尽可能轻量化以节约成本。文中利用ANSYS参数化设计语言将原始天线方位座架结构的三维模型转化为有限元模型,进行结构静力学分析。根据计算结果,建立大型轮轨式天线方位座架优化函数,利用ANSYS优化设计模块,对天线方位座架结构进行优化,寻求设计最优解。最终在满足应力、变形以及约束条件要求下,获得轻质量的天线方位座架结构。通过此次优化设计,实现了该天线方位座架轻量化设计,在其应力水平相当的情况下,质量减轻了5%,Z向最大变形减小了15%。文中的设计思路和方法可为实际工程应用提供有益参考和宝贵经验。     

Light-Weight Design Method for Force-Performance-Structure of Complex Structural Part Based Co-operative Optimization

A light?weight design method of integrated structural topology and size co?optimization for the force?performance?structure of complex structural parts is presented in this paper. Firstly, the supporting function of a complex structural part is built to map the force transmission, where the force exerted areas and constraints are considered as connecting structure and the structural configuration, to determine the part performance as well as the force routines. Then the connecting structure design model, aiming to optimize the static and dynamic performances on connection configuration, is developed, and the optimum design of the characteristic parameters is carried out by means of the collaborative optimization method, namely, the integrated structural topology optimization and size optimization. In this design model, the objective is to maximize the connecting stiffness. Based on the relationship between the force and the structural configuration of a part, the optimal force transmission routine that can meet the performance requirements is obtained using the structural topology optimization technology. Accordingly, the light?weight design of conceptual configuration for complex parts under multi?objective and multi?condition can be realized. Finally, based on the proposed collaborative optimization design method, the optimal performance and optimal structure of the complex parts with light weight are realized, and the reasonable structural unit configuration and size charac?teristic parameters are obtained. A bed structure of gantry?type machining center is designed by using the proposed light?weight structure design method in this paper, as an illustrative example. The bed after the design optimization is lighter 8% than original one, and the rail deformation is reduced by 5%. Moreover, the lightweight design of the bed is achieved with enhanced performance to show the effectiveness of the proposed method.     

汽车座椅结构的轻量化设计

针对当前许多拓扑优化结构中存在的制造工艺问题,提出了一种考虑挤压工艺约束和应力约束的拓扑优化模型。采用该方法对座椅骨架进行轻量化设计,并对新设计的座椅骨架进行校核。分析结果表明:新的座椅结构在满足各项性能和挤压工艺约束的同时达到了明显的轻量化效果,证明了该拓扑优化方法的可行性。     

轻型货车EQ1060F车身的结构优化设计研究

主要研究轻型货车 EQ1 0 6 0 F驾驶室车身结构优化设计中的一些关键问题 ,包括结构有限元分析、优化方法选择、敏度分析和结构重分析 ,选择了序列二次规划法用于结构优化问题且收敛效果较好。该研究为汽车车身设计提供了一条新的设计思路。     

重型板式输送机关键部件有限元分析及结构优化设计

对重型板式输送机的关键部件结构及设计进行分析,利用APDL语言建立了台板的参数化模型并进行优化,比原设计节省材料45%;运用ANSYS的拓扑优化功能对链条进行形状及刚度优化,节省材料超过30%。整体运动部件重量的下降,降低了驱动装置的负荷,直接改善了设备的运行条件,延长了设备的运行寿命。     

振动夹具的综合优化设计

夹具设计要求质量轻、刚度大。为了在这两者间取得平衡,文中综合使用拓扑优化和尺寸优化两种方法对夹具进行优化设计以实现设计目标。基于拓扑优化结果设计了夹具的拓扑优化模型。虽然相对于初始模型,该模型的第1阶固有频率降低了36.5%,但其质量降低了66.7%,表明拓扑优化效费比显著。以设计参数的合理设计范围作为约束条件,把使第1阶固有频率最大和夹具质量最轻作为优化目标来实施尺寸优化,得到夹具的详细设计模型。与拓扑优化模型相比,该模型的质量降低了3%,第1阶固有频率提升了6%。之后对振动夹具实施了随机振动试验。受试设备安装点的功率谱密度响应曲线的均方根值最大为输入谱均方根值的1.17倍,说明夹具具有良好的动力学传递特性,夹具的综合优化设计方法有效可行。     

轻型货车EQl060F车身的结构优化设计研究

主要研究轻型货车EQl060F驾驶室车身结构优化设计中的一些关键问题,包括结构有限元分析、优化方法选择、敏度分析和结构重分析,选择了序列二次规划法用于结构优化问题且收敛效果较好。该研究为汽车车身设计提供了一条新的设计思路。     

Simultaneous manufacturing shape optimization for minimum cost of milling using interior point method

This paper presents an integrated manufacturing shape optimization method and explores the tradeoff between mass and machining cost with the application of the end-milling that used to machine a topological die. The aim is to make a simultaneous optimization method between product manufacturing and its topological shape to close the gap between theoretical work and practical needs. This innovative method depends on some manufacturing functional issues and shape constraints. The objective function is minimizing the total cost of process including the material and machining cost. The initial shape of the part is constructed by using B-splines and hole generation-based topological concept; the design variables are x- and y-coordinates of the control points that represent the B-splines. The cutting parameters of the milling process such as the cutting speed, the feed per flute, and the tool diameter are also optimized. The simultaneous manufacturing shape optimization problem will be achieved by interfacing between MATLAB2011a and ANSYS15 programs using interior point method (IPM) as a mathematical optimization solver. The comparison between the initial total cost and its optimal results for studied cases is presented, and the influence of the required batch size on the final shape is discussed. It is found that the reduction percentage in the cost function can receive 69% for small batch size (batch 50 pieces) and 54.18% for large batch size (batch 5000 pieces). The result from this simultaneous optimization is that the batch size of the required product influences the topological shape of the product.     

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动,提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象,结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法,引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量,考虑筋条和阻尼材料的体积约束,建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型,实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例,验证了所提方法和模型的有效性。     

基于应变能约束的梁截面拓扑优化

根据工程实际应用中最关注的最优设计和合理经济尺寸的问题,建立了以梁截面为设计变量,以结构总重量极小化为目标,考虑应变能约束条件的梁结构拓扑优化设计数学模型,并结合ESO方法和单元应变能分析,讨论了受弯曲载荷作用下的梁的截面形式拓扑优化,建立其参数化模型,最后利用ANSYS的优化模块对梁的合理截面参数进行了优化设计.结果...