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。     

某牵引车车架多目标拓扑优化设计

为了得到同时满足静态多工况刚度和动态振动固有频率要求的某牵引车车架结构,将拓扑优化的方法引入到车架的结构设计中。采用折衷规划法定义多刚度拓扑优化的目标函数的数学模型,而振动固有频率拓扑优化的目标函数的数学模型则采用平均频率法定义,综合刚度与振动固有频率的多目标函数的数学模型也采用折衷规划法定义。通过优化得到同时满足刚度和振动频率要求的车架拓扑结构。通过在Hyper Works软件中对车架进行静态和模态仿真,仿真结果表明,车架性能满足工作要求,这也验证了对牵引车车架进行多目标拓扑优化设计是合理可行的。     

基于折衷规划的车架结构多目标拓扑优化设计

为避免单目标拓扑优化无法考虑其他因素的缺点,笔者提出了一种车架结构的多目标拓扑优化研究方法.采用折衷规划法建立了车架结构多目标拓扑优化的数学模型,其中多刚度拓扑优化目标函数采用折衷规划法定义,振动频率拓扑优化目标函数采用平均频率法定义.以某越野车车架为例,通过优化得到了同时满足刚度和振动频率要求的车架拓扑结构.理论分析...     

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。     

大兆瓦风电制动器闸片静动态多目标结构拓扑优化设计

针对目前大兆瓦风电制动器制动过程中的振动与尖叫以及制动闸片在制动力作用下变形产生的磨损不均匀,根据实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法,采用折衷优化法定义多目标结构拓扑优化目标函数,在对制动闸片结构设计的同时,提高其静态刚度与动态振动频率,避免了单目标结构优化对问题考虑不周全的缺点,得到最佳拓扑模型.重构闸片模型,比对分析原模型与重构模型,结果表明:优化后的模型满足原模型静刚度且提高振动频率,同时避开尖叫频率,提高摩擦材料的利用率.     

校车底盘车架结构静动态特性拓扑优化设计研究

针对一款城市专用校车底盘车架结构一阶固有频率偏低的问题,研究了其拓扑结构与静动态特性之间的关系,提出了基于静动态特性的校车底盘车架结构多目标拓扑优化设计方法,即以多工况下的底盘车架结构静态刚度和一阶固有频率最大为目标函数,以拓扑区域体积比为约束函数,建立其结构拓扑优化模型,利用Hyper Works的Optistruct软件对底盘车架结构进行多目标拓扑优化设计,结果表明,优化设计的底盘车架结构在静态刚度保持不变的前提下,其动态一阶固有频率提高了34.6%,较好地解决了校车底盘车架动态特性较差的问题。     

满意协调法在OptiStruct中多目标拓扑优化中的运用

为了研究多工况下静态刚度和动态振动频率为目标函数的拓扑优化结构设计,提出了一种连续体结构多目标拓扑优化的研究方法。基于实体各向同性材料惩罚函数(SIMP)的插值模型,采用满意协调法把多目标问题转化为单目标问题,从而避免因单目标拓扑优化而不能满足车体结构性能要求的缺点,同时通过一些变换,规避了满意协调法中不含等式约束这一条件。运用OptiSt-ruct平台,以发动机盖为实例进行多目标拓扑优化,并与已经用于生产的成熟的发动机盖模型进行对比,验证了优化方案的可行性。     

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。     

中型氢燃料电池货车车架多目标拓扑优化设计

以某中型氢燃料电池货车车架为研究对象,基于变密度法拓扑优化理论,实现了车架静态多工况刚度最大化和提高动态低阶固有频率的目标。保留车架附属连接件,以原车架外廓尺寸建立拓扑优化空间,采用各向同性材料惩罚函数进行多目标拓扑优化,获得最佳的车架结构布局,进行新车架结构设计。结果表明,新车架中部承载能力优于已经通过模态试验验证的原车架,最大应力下降35.6%;第一阶固有频率提高1.9 Hz,能够避开路面激励能量最大的区域;同时车架质量减轻7.8%,实现了氢燃料电池货车车架结构的专用化和轻量化设计。     

氢燃料电池客车车架有限元分析及多刚度拓扑优化研究

以氢燃料电池客车车架为研究对象,首先应用HyperWorks建立12米氢燃料电池客车车架的有限元模型,然后对车架的9种典型工况进行有限元分析。最后,根据车架有限元分析结果,采用变密度法拓扑优化理论,以车架应变能最小作为目标函数,车架体积比作为边界条件,进行多工况下车架结构的多刚度拓扑优化研究。结果表明,通过多刚度拓扑优化可以提高车架的强度和刚度,并且实现车架轻量化,使之减重14.9%。     

工业机器人机械臂拓扑优化设计

结构优化有尺寸优化、形状优化和拓扑优化3种类型。拓扑优化能够根据给定的约束条件、负载情况和性能指标,利用计算机的有限元仿真技术,在给定的区域内优化设计材料分布,从而实现结构的最优性能。因此,采用有限元分析,在保证机械臂的强度、刚度和变形小等条件下,建立多目标拓扑优化数学模型,将结构质量最小化、静态刚度最大化以及振动频率最大化的优化目标结合成综合目标函数,通过拓扑优化方法,在给定的设计区域内寻求材料的最优化分布结构,从而得到最佳的机械臂结构。     

考虑多工况油箱支架结构拓扑优化研究

为保证油箱支架结构能更好地满足不同行驶工况下的承载要求,需要在设计阶段考虑其在多工况下的静态刚度特性,对整个支架结构进行合理的多目标拓扑优化设计。基于固体各向同性材料惩罚函数优化理论,运用折衷规划法定义了车辆在不同行驶工况下的静态刚度拓扑优化目标函数,根据优化结果,设计出了一种满足刚度要求的新支架结构。     

电动轮自卸车车架结构抗疲劳轻量化设计

针对传统经验式设计的电动轮自卸车车架结构存在刚度不足、焊缝开裂、重量冗余,以及自身固有频率与非簧载质量激励频率接近而可能发生共振等问题,开展车架结构性能多目标优化设计的研究。首先,基于变密度法和SIMP插值模型对原始车架结构进行了考虑疲劳寿命约束的多目标拓扑优化设计,得到了满足静态多工况下柔度最小和多阶低阶固有频率最大的拓扑优化结构。再次,基于Kriging近似模型的抗疲劳轻量化设计,利用非支配排序多目标遗传算法进行全局寻优,优化后的车架结构质量比原始车架结构质量减少4.24%,且车架结构在同样载荷作用下的应力分布更加均匀,车架强度、刚度、动态特性和疲劳寿命等性能均得到改善。     

基于BESO方法的连续体结构动态特性多目标拓扑优化

为实现动态多目标下的拓扑优化结构设计,以结构动柔顺度最小化和固有频率最大化加权函数为目标,提出基于双向渐进结构优化方法(Bi-direction Evolutionary Structural Optimization, BESO)的连续体结构动态特性多目标拓扑优化方法。基于等效静载荷法(Equivalent Static Loads, ESL),将结构动刚度优化问题转化为多工步载荷作用下的线性静刚度优化问题,结合BESO方法实现结构多工况线性静态优化。分别归一化目标函数和灵敏度,避免不同性质目标函数及灵敏度的量级差异引起的数值奇异性。数值算例结果表明,结构体积约束、频率与动柔顺度综合目标均能渐进收敛于最优目标值,优化结构具有清晰的拓扑构型。随着柔顺度灵敏度、权重因子的减小,优化结构拓扑形式发生显著变化,其动刚度逐渐减小,而固有频率逐渐增加。所提出的频率-动刚度多目标拓扑优化方法能够提高结构动态特性,拓展了BESO方法对结构动力学拓扑优化问题的应用范围。     

巴哈赛车车架多目标拓扑优化设计

为了实现巴哈赛车车架的轻量化,以车架刚度和频率为优化目标,采用折衷规划法归一化子目标建立综合目标函数,运用灰色关联分析法评价子目标权重系数,对车架进行拓扑优化;根据拓扑优化的结果对车架进行二次设计,在保证刚度和安全使用条件下,对车架管件进行尺寸优化.分析结果表明,改进后的车架的刚度性能、强度性能和模态固有频率均有提高,车架减重24.1％,证明了优化设计的有效性和可行性,并为车架的相关设计提供了借鉴和参考.     

链轮结构静/动态多目标拓扑优化及敏度分析

为增强链轮结构的静态刚度及有效抑制外界激励的影响,将多目标理论并结合拓扑优化理论引入到链轮结构的设计。依据链轮的真实工况,分别对其进行静态刚度和动态固有频率最大化的优化设计。基于折衷规划法定义静态刚度和动态固有频率的多目标函数,并以体积分数为约束条件构建链轮结构的SIMP拓扑优化模型,基于OptiStruct的优化准则算法进行多目标优化求解。运用伴随变量法求解多目标函数相对设计变量的灵敏度,为结构整体性能改善及优化提供准确的梯度信息。最后,以链轮多目标优化结果为参考,基于SolidWorks进行二次设计,并对其进行静力学和模态分析用以验证优化前后结果的正确性。该方法对考虑多个目标的工程结构优化设计具有实际意义。     

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.     

汽车副车架强度模态分析及结构优化

以某轿车副车架为研究对象,在CATIA、Hyper Works等软件中建立其有限元模型和多体动力学模型。对其结构进行强度分析和自由模态分析。分析结果表明,副车架强度符合使用要求,但该副车架的一阶模态频率与发动机激振频率较为接近从而可能会产生共振现象。针对该问题,采用变密度拓扑优化方法,建立以平均频率法定义的目标函数,以体积分数和应力为约束的拓扑优化。优化结果表明,副车架的模态计算值与试验值误差非常小,其一阶模态频率提高17.3Hz,并且给出副车架材料最优分配图,优化后一阶模态频率可避开发动机激励频率频带,验证副车架结构有效性。     

考虑动态特性的多工况车身结构拓扑优化研究

由于车身结构在汽车行驶过程中主要是保证其静动态承载性能,因此在概念设计阶段考虑其多种承载工况,特别是车身的动态性能要求来确定车身结构的最佳拓扑形式十分重要。结合整车多工况多体动力学分析,运用折衷规划法定义整车实际行驶工况下车身结构静态刚度和动态振动频率最大化的综合目标函数,通过层次分析法确定各工况的最优权重系数,进行车身结构的综合目标优化设计。以方程式赛车的车身结构设计为例,进行综合目标的拓扑优化设计,结果表明该方法进行车身结构的概念设计可行且有效。同时,经对比根据设计经验和基于正交试验定义权重系数的两种方法得出的优化结果,其车身的刚度和前6阶频率均有不同程度的提高,且结构更加合理,同时提高了计算效率。     

广义平均距离公式在结构优化中的应用研究

针对静态多工况刚度和动态振动频率为目标的多目标优化问题,对广义平均距离公式做了研究,并且将其理论应用在结构多目标优化问题中。通过对平均距离公式中的变量赋予不同的参数,最终灵活地构建出不同的目标函数数学模型;采用加权平均的方法确定刚度和频率的综合目标函数。通过一个实例对其建立的目标函数进行验证,并将在随机抽出的四种目标函数在结果上做了简单对比。研究结果表明,采用目标函数一和目标函数四使第一阶固有频率增加了11.22%,采用目标函数二和目标函数三分别使第一阶固有频率提高了24.02%和22.98%,同时优化后各工况的最后的柔度数值结果基本相同,从而说明了广义平均距离公式思想在构建多目标结构优化数学模型上的可行性和灵活多变性。