汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究

为了研究以静态多工况下刚度和动态振动频率为目标函数的车架拓扑结构,提出了一种结构的多目标拓扑优化研究方法。基于实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法,采用折衷规划法定义多目标拓扑优化和多刚度拓扑优化的目标函数,而振动固有频率拓扑优化的目标函数则采用平均频率法定义。通过优化得到了同时满足静态刚度和振动低阶频率要求的汽车车架结构拓扑。该方法避免了单目标拓扑优化无法考虑其他因素的缺点,适合连续体结构的多目标拓扑优化。     

60MN力标准机承压板结构多目标拓扑优化研究

针对60 MN力标准机承压板结构轻量化拓扑优化时,既要求结构的刚度最大化又要求结构的低阶固有频率最大化的多目标拓扑优化问题,提出了针对多个目标采用加权平均的方法把多目标优化问题转化为单目标优化问题。通过对选定的多个低阶固有频率目标函数采用加权求平均频率的方法实现了承压板结构的动态特性优化;采用加权平均的方法确定了刚度和频率的综合目标函数,实现了承压板结构的多目标拓扑优化,最终设计出了一种新的承压板结构。研究结果表明,优化后的承压板结构的最大变形量减少了25.5%,最大应力减少了14.1%,前五阶固有频率增加了5.7%~13.2%;可以看出新的承压板结构的前五阶固有频率和静态刚度均得到显著提高,从而验证了该优化方法的可行性。     

控制臂多目标拓扑优化研究

以控制臂为对象,研究了结构材料的多目标拓扑优化问题。应用加权特征值倒数法和折中规划法相结合的方法建立静动态多目标优化数学模型。在连续体结构变密度拓扑优化方法的基础上,建立了控制臂拓扑优化的有限元模型,确定子目标权重系数,进行了多目标拓扑优化。优化结果得到了材料的理想分布,提高了结构固有频率,减低了结构质量,实现多目标的同步优化。     

连续体结构的静动态多目标拓扑优化方法研究

为实现以静态多工况下刚度和动态特征值为目标函数的拓扑优化结构设计,提出一种连续体结构的静动态多目标拓扑优化模型.以平均柔度最小化和平均特征值最大化为目标,采用标准化方法定义多目标拓扑优化的目标函数,根据决定函数大小来选择最优的妥协解,并且对目标函数进行归一化,消除不同性质目标函数在数量级上的差异.拓扑优化采用同体各向同性材料插值方法,将移动近似算法用于多目标拓扑优化问题的求解,并且用过滤求解技术避免拓扑优化中数值不稳定性现象.数值算例结果表明,文中提出的方法在连续体的静动态多目标拓扑优化设计中是正确的和有效的.     

汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究

为了研究以静态多工况下刚度和动态振动频率为目标函数的车架拓扑结构,提出了一种结构的多目标拓扑优化研究方法。基于实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法,采用折衷规划法定义多目标拓扑优化和多刚度拓扑优化的目标函数,而振动固有频率拓扑优化的目标函数则采用平均频率法定义。通过优化得到了同时满足静态刚度和振动低阶频率要求的汽车车架结构拓扑。该方法避免了单目标拓扑优化无法考虑其他因素的缺点,适合连续体结构的多目标拓扑优化。     

车身结构NVH特性多目标拓扑优化研究

建立了某车身地板结构动力学有限元模型,通过分析自由模态固有频率和多点激励下频率响应,验证了车身地板数值分析模型的有效性。以地板结构各激励点最大振动速度的平方和最小化作为目标函数,建立了多目标拓扑优化模型。通过解读优化结果,提出了地板结构改进方案。改进后的车身地板结构各阶自由模态固有频率增加达10%以上,各激励点速度响应大大降低,NVH特性明显提高。研究表明,减小振动速度的多目标拓扑优化设计是一种改善车身NVH特性的有效方法。     

连续体结构的多目标拓扑优化设计

为实现静动态多目标下连续体结构的拓扑优化设计,以静态柔顺度最小化和动态特征值最大化加权函数为目标,提出并建立静动态多目标下连续体结构拓扑优化模型,实现了相应的算法和算例。方法中采用(rational approximation of material properties,RAMP)方法对密度进行惩罚,利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应,通过归一化目标函数有效地避免不同性质目标函数的量级差异。通过算例,获得了静动态权重系数对结构拓扑构型和目标函数(宏观结构的柔度和基频)的影响规律,算例结果表明了该方法的有效性。     

三轿车后副车架多目标拓扑优化方法研究

针对汽车底盘零部件多目标优化中,优化目标函数构造比较困难、加权因子选取不够合理的问题,介绍了一种基于固体各项同性材料惩罚模型的(SIMP)的多目标拓扑优化方法;使用带加权因子的理想点法公式和平均频率公式构造了综合目标函数;改进了多工况加权因子的选定方法,提出一种基于时间修正的加权方法;并以国产某车型后副车架轻量化优化为例,对方法进行了验证,结果表明,使用该方法对汽车底盘零部件进行拓扑优化,能够减轻对象重量,提高其在不同工况下的刚度,提高其主要的低阶模态频率值,使零部件的静态、动态性能均能得到提升。     

火炮上架的多目标拓扑优化

为避免火炮上架单目标优化时无法考虑其它工况的缺点,提出将归一化指数加权准则与固体各向同性材料惩罚模型方法相结合的火炮上架多目标拓扑优化方法。应用所提方法对某型火炮上架进行多目标拓扑优化设计,得到同时满足火炮后座与复进工况下刚度要求的上架最优拓扑结构。对上架结构进行了有限元验证,确认所提方法的可行性。     

结构多目标拓扑优化设计

为了研究结构多目标拓扑优化设计方法,引入了数学规划法的相关理论,分别采用最短距离法、平方加权法、规范目标法、线性加权法和折衷规划法建立了五种不同的目标函数,将多目标拓扑优化问题转化为单目标拓扑优化问题。通过在一个优化实例中验证这五种方法,结果表明五种方法均能解决多目标拓扑优化问题,其中线性加权法在提高结构刚度方面贡献比较大,而折衷规划法更能提高结构的固有频率。     

面向制造的连续体结构拓扑优化设计方法研究

为了更好地解决结构拓扑优化的工程实用化问题,研究了一种面向制造的连续体结构拓扑优化设计的方法,即面向制造的分级拓扑优化方法。该方法可使优化结果同时满足设计性能和制造性能的要求。为消除数值不稳定,研究了密度和敏度混合高斯函数过滤算法,该算法能有效解决棋盘格式及网格依赖等数值不稳定问题,并能获得良好的优化结果。利用研究的分级拓扑优化方法和有关算法,对经典算例进行计算,所得结果验证了该方法的可行性和有效性。     

基于并行策略的多材料柔顺机构多目标拓扑优化*

多材料柔顺机构能够让设计者充分利用各种材料的优良属性,在力,位移,以及能量转移等方面获得更大的设计自由度,因而受到重视。针对受到广泛研究的柔顺机构,结合多目标拓扑优化的方法,提出相应的基于并行策略的求解模型。该方法的核心是将一个复杂的多材料多目标问题离散成为单材料子问题,然后并行求解,再根据整体目标的需要,对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解。针对多目标情形,提出新的材料与输出目标关系,从而在将多材料问题离散成单材料子问题的同时,也将多目标问题离散成单目标子问题。对所有的单材料单目标子问题采用各向同性材料的刚度插值-惩罚法并行独立求解。以上方法有其独特优势：在理论和实践上都比较简单,可以处理任意多种材料,可以避免零碎的拓扑结构因而有利于制造。通过算例说明了此方法的有效性。研究结果表明,该方法在某些输出需要特定材料的设计场合更具优势。     

Multi-objective Topology Optimization of Thermo-mechanical Compliant Mechanisms

The material characteristics of a structure will change with temperature variation,and will induce stress within the structure.Currently,the optimal design for the topology of compliant mechanisms is mainly performed in single physical field.However,when compliant mechanisms work in high temperature environments,their displacement outputs are generated not only by mechanical load,but also by the temperature variation which may become the prominent factor.Therefore,the influence of temperature must be considered in the design.In this paper,a novel optimization method for multi-objective topology of thermo-mechanical compliant mechanisms is presented.First,the thermal field is analyzed with finite-element method,where the thermal strain is taken into account in the constitutive relation,and the equivalent nodal thermal load is derived with the principle of virtual work.Then the thermal load is converted into physical loads in elastic field,and the control equation of the thermo-mechanical compliant mechanism is obtained.Second,the mathematical model of the multi-objective topology optimization is built by incorporating both the flexibility and stiffness.Meanwhile,the coupling sensitivity function and the sensitivity analysis equations of thermal steady-state response are derived.Finally,optimality criteria algorithm is employed to obtain numerical solution of the multi-objective topology optimization.Numerical examples show that the compliant mechanisms have better performance and are more applicable if the temperature effect is taken into account in the design process.The presented modeling and analysis methods provide a new idea and an effective approach to topology optimization of compliant mechanisms in electrothermic coupling field and multiphysics fields.     

矿用自卸车车架结构多目标拓扑优化研究

为给矿用自卸车车架结构设计和优化提供参考,针对国产首台300t矿用自卸车工作环境极其复杂、行驶路况极为恶劣以及载重量大而导致车架结构容易破坏失效的情况,采用SIMP变密度法对其进行拓扑优化研究,以多工况下的刚度和一阶振动频率为目标,并利用折衷规划法定义的多刚度和高频率的多目标拓扑优化函数进行优化。依据优化结果设计了新的车架,并比较了经验设计下的车架和新车架的刚度和频率。研究结果表明：采用多目标拓扑优化方法指导设计的车架刚度和频率都有显著提高,改善了车架的使用性能,能使车架更好地在恶劣环境中使用。     

基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型固有振动频率研究

为有效抑制随机振动对超精密定位与加工装备性能的影响,提高本体机构的固有响应频率,提出了基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型设计方法。基于折衷规划法和平均频率法定义了多目标优化函数,并以体积分数为约束条件,建立了全柔顺并联机构SIMP拓扑优化模型。基于Optistruct软件及优化准则算法,并结合微分矢量同构映射雅可比矩阵,实现了全柔顺并联机构构型多目标拓扑优化设计。研究结果表明：所设计出的3-PRR型全柔顺并联机构与并联原型机构具有微分运动一致性,且优化过程中的频率交叉振荡明显减弱并趋于收敛。     

基于拓扑优化方法的大型液压挖掘机斗杆新型结构

以斗杆结构强度为基准,采用结构优化的方法,设计了大型液压挖掘机正铲工作装置斗杆新结构。采用离散元方法,构建矿山岩石模型,获得铲斗挖掘阻力;采用多体动力学方法,搭建大型液压挖掘机正铲工作装置刚柔耦合动力学模型,获得挖掘机斗杆挖掘工况斗杆动态载荷,并对斗杆进行动态结构强度分析;采用SIMP插值函数的变密度拓扑优化方法,在有限元中对斗杆结构进行拓扑优化设计,获得大型液压挖掘机正铲工作装置新型斗杆结构;对新型斗杆结构进行动态结构强度分析,斗杆结构强度保持原有水平。研究结果表明,通过拓扑优化后得到的新型斗杆,结构强度与类比设计一致,但质量减小。     

基于子结构法的多层级结构拓扑优化

为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题,保证不同多孔结构之间的连接性,提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法,将多孔结构拓扑优化分为两个层级,在细观层级优化多孔结构拓扑构型,在宏观层级优化多孔结构最优空间分布。采用子结构法建立宏细观结构之间的联系,将细观结构凝聚为超单元,凝聚的超单元又作为宏观结构分析和优化的基本单元。数值算例表明：所提方法可有效实现二维、三维多层级结构的拓扑优化;在多层级结构设计中考虑多种类型的多孔结构时,所提方法能有效保证不同多孔结构之间的连接性。     

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

针对自由阻尼结构拓扑优化问题,采用模态应变能的有限元求解方法,以单元相对密度值为拓扑设计变量,以材料用量和频率改变量为约束条件,构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型,推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时,目标函数存在非凸性,迭代过程中出现负值设计变量,使得优化结果不收敛或陷入局部优化,故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题,保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真,并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶,结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时,各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定,单元中间密度值区域相对较少,自由阻尼结构获得了有效的减振。