基于宽容分层序列法的机载控制台拓扑优化设计

基于拓扑优化的宽容分层序列法理论,在Hyper Work软件平台对机载控制台下台体进行概念设计阶段的拓扑优化。以下台体刚度最大为优化目标,以单元密度为设计变量,体积分数为约束条件进行拓扑优化获得初步结果,然后增加设计宽容值重新建立拓扑优化设计空间,并以下台体第1阶频率为优化目标,以体积分数和频率响应位移作为约束条件进行第2次拓扑优化。经过多目标拓扑优化所得模型,材料密度分布均匀,拓扑结构清晰。局部调整拓扑优化布局结果并采用参数化建模技术获得控制台台架的概念设计模型,为后续机载控制台的结构灵敏度分析提供依据。     

多材料负泊松比微结构拓扑优化设计

复合材料优化设计为负泊松比结构提供更大的设计空间,可以充分挖掘材料的各种潜力.为实现多材料负泊松比微结构拓扑优化设计,文中基于序列插值法,对多材料密度进行归一化处理,得到了多材料插值模型,该模型能够使多材料在设计域内向不同材料点集合,可以在单一设计变量下完成多材料拓扑优化设计,无需增加额外设计变量.结合能量均匀化理论,以等效负泊松比为优化目标,进行相应的灵敏度分析,对优化模型进行求解,最终得到了具有负泊松比效应的多材料微结构.然后根据优化结果,对拓扑构型进行重构,并进行有限元分析,得到的结构具有负泊松比效应,结果表明,该方法能有效实现多材料负泊松比微结构拓扑优化设计.     

支撑结构多目标拓扑优化设计研究

以支撑结构为对象,研究了多工况下结构材料的最优布局和结构固有频率最大化的多目标优化问题。在基于变密度连续体结构拓扑优化方法的基础上,采用折中规划法研究多工况下多目标优化函数问题,建立了支撑结构的拓扑优化模型,利用分析层级法确定了各子目标的权重,进行了多目标拓扑优化,得到了材料的优化布局方案,减轻了结构质量,提高了结构固有频率。研究表明拓扑优化方法适用于板壳类结构的优化设计。     

考虑拓扑相关热载荷的散热结构多相材料拓扑优化设计

针对热传导拓扑优化设计过程中拓扑相关热载荷问题,以结构散热弱度为目标函数,体积分数为约束条件,构建了多相材料散热结构拓扑优化数学模型。采用一种基于变密度理论的有序固体各向同性微结构材料惩罚模型法构建多相材料插值模型,分别进行拓扑相关热载荷与拓扑独立热载荷作用下的灵敏度分析,借助优化准则法推导设计变量的迭代格式,引入偏微分方程过滤方法抑制优化过程中出现的数值不稳定现象。通过2D与3D数值模型计算,获得考虑拓扑相关热载荷、拓扑独立热载荷以及耦合拓扑独立/相关热载荷在不同边界条件下对拓扑优化结果的影响规律。结果证明了所提方法在解决拓扑相关热载荷作用下散热结构多相材料拓扑优化设计问题方面的有效性与可行性。     

2MW风力发电机轮毂优化设计

优化设计是一种为了让自己的设计材料最省、支出最小的一种技术。通常,在设计中,会有许多的设计方案以供选择,如何从众多的方案中选择一个最好的方案,就需要有较好的设计方法。优化设计的方法有很多,而拓扑优化又称结构布局优化,是一种根据优化目标、载荷及约束而寻求结构材料最佳分配的优化方法。针对2MW风力发电机轮毂进行了拓扑优化,对比分析了优化前后轮毂的质量、及联合工况下的应力和变形,结果表明,联合工况下的应力及变形减小,动态应力最大值减小,动态强度提高;并在三维软件中重建模型,验证优化后模型进行工程实践的可行性。     

基于拓扑优化的机床立柱筋板改进

在拓扑优化的基础上,提出根据拓扑优化结果改进筋板布局的方法,并结合案例,构造了基于相对密度法的连续体结构动力学拓扑优化设计数学模型,以结构的相对密度为设计变量,分别以柔度最小化、一阶固有频率最大化为目标和两者结合的多目标进行拓扑优化。在采用多目标优化时,对两个目标用加权和方法进行折衷处理,通过设置权值来确定两者在优化中所起作用大小。优化后得出不同的密度云图,根据密度云图所示材料分部,改进筋板布局,达到提高机床动、静态特性的目的。     

SIMP插值的约束层阻尼结构拓扑优化

针对约束层阻尼结构拓扑优化问题,采用SIMP插值模型和变密度方法,构建了以模态损耗因子为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。推导了模态损耗因子对设计变量的灵敏度表达式。采用优化准则法,计算了约束层阻尼的最优拓扑构型,给出了拓扑优化计算的流程。结果表明:采用该拓扑优化方法对约束层阻尼材料进行优化布局,能在减少阻尼材料用量的前提下,显著提高结构模态损耗因子,降低频率响应幅值。     

结合应力全局化与层次分析的拓扑优化设计

客车骨架作为主要承载件,其强度是否可靠直接决定整车的安全性。应用CAE分析方法对公交客车车身骨架进行拓扑优化设计,将材料许用应力惩罚函数引入到实体各向同性材料惩罚方法中,构造出基于应力全局约束的拓扑优化模型。采用层次分析法确定各工况最优权重系数,以综合工况下柔度最小为目标函数,将多工况下多目标优化问题转化为单目标问题求解。结果表明,优化设计后的车身结构应力布局均优于现有结构,车身弯曲刚度和扭转刚度分别增加了6.15%和7.14%,整车结构性能明显提升。     

基于连续密度变量的结构支撑布局优化设计

支撑布局的优化设计是决定结构设计质量与力学品质的关键因素 ,论文提出了用拓扑优化技术进行支撑布局优化设计的一种方法。为了实现结构动力学性能优化 ,采用拓扑优化方法中的虚拟密度技术 ,将支撑单元布局这一离散变量问题转化为连续变量优化问题。该方法以虚拟密度作为设计变量 ,基于单元刚度矩阵与设计变量的指数对应关系 ,建立了结构固有频率对设计变量的灵敏度计算格式 ,实现了动力学优化。论文给出了支撑布局拓扑优化的实例 ,这些问题对于检验论文中所使用的拓扑优化方法的可行性和结果的可信度有很大帮助 ,同样对于这种方法的推广应用也有很大指导意义。计算结果表明 ,拓扑优化方法不仅能够解决结构布局优化设计问题 ,而且在模型建立合理的情况下 ,也能够有效地对支撑布局进行动力学优化     

桥式起重机主梁结构的可靠性拓扑优化

为了在降低设计难度和提高设计效率前提下实现起重机主梁结构的可靠性优化设计,首先基于变密度方法和概率方法分别构建以起重机主梁结构体积最小作为目标函数的确定性拓扑优化模型和可靠性拓扑优化模型;其次,将可靠性拓扑优化模型中的优化问题经混合法解耦处理后,分解为可靠性分析和当量确定性拓扑优化2个独立子问题;再次,在优化设计过程中使用灰色关联系数法分配各工况的权重系数;最后,再对经过可靠性拓扑优化设计后所得的新型主梁结构进行二次设计。结果表明,同确定性拓扑优化比较,可靠性拓扑优化的迭代次数较少,计算速度较快;经二次设计后,起重机主梁结构的刚度、强度与固有频率均得到了提高;设计结果可为起重机金属结构优化设计提供新思路。     

多工况下塔带机工作平台拓扑优化设计

为了避免单工况优化设计的局限性,对塔带机工作平台进行了多工况拓扑优化设计,得到其优化的结构构型,使工作平台在各种工况下既具有足够的刚度,又适当的减少了材料用量.以工作平台的整体结构柔度最小为优化目标,利用带权重的折衷规划法协调多个目标函数,构建多工况拓扑优化数学模型,利用HyperWorks/Optistruct求解优化模型,得到工作平台的拓扑型式.根据拓扑型式重构几何模型,对其进行静力分析,并与原结构模型静力分析的结果进行比较,对比的结果证明了文中优化设计的有效性.     

基于变密度法的散热结构拓扑优化设计

在航空航天、汽车、集成电路等领域,设备结构的热防护问题是广泛研究的热点。传统基于经验的结构设计方法已不能满足实际工程对热防护结构的高性能需求,拓扑优化设计技术的发展为工程热防护结构的设计带来了一条新的途径。基于变密度法研究了稳态热传导条件下散热结构拓扑优化设计问题。以材料密度为设计变量、材料体分比为约束,建立了以结构散热弱度最小化为目标的拓扑优化模型。在传统优化准则法中引入灰度过滤机制,提出敏度过滤和灰度过滤相结合的过滤机制,实现设计变量的更新,有效抑制了灰度单元的产生;将预处理共轭梯度法引入三维散热结构拓扑优化设计中,提高了计算效率。采用二维和三维算例,验证了所构建拓扑优化模型和提出方法的可行性和有效性。     

多相材料的连续体结构拓扑优化设计

采用改进的过滤技术进行多相材料的连续体结构拓扑优化设计。以应变能最小化作为目标函数,结构体积作为约束,建立多相材料的连续体结构拓扑优化模型,将移动近似算法用于拓扑优化问题求解,采用改进的过滤求解技术对目标函数灵敏度及单元设计变量进行过滤,避免迭代过程中出现数值不稳定现象。数值算例结果表明,采用改进的过滤技术的多相材料连续体结构拓扑优化设计方法是有效的,能够获得清晰的结构拓扑图。     

基于拓扑与形状优化的柴油机机体低振动设计

为实现机体的低振动优化设计,在试验验证有限元模型正确性的基础上,采用拓扑优化和形状优化方法,保证不同层次优化模型的承接性,以机体模态频率和整机振动烈度值作为优化设计目标,采用数值模拟方法对机体进行振动响应分析,为机体的优化设计识别出机体振动状况分布。以四缸柴油机机体的虚拟样机为设计对象,通过拓扑优化与形状优化得到设计变量最优解,并综合考虑相关因素确定全部布局和细节设计的最终优化方案。优化结构分析结果表明,优化后各阶模态频率均得到了提高,同时整机振动烈度值降低了34.8%,优化后的机体在满足结构刚度和强度条件下实现了机体振动烈度处于安全区域。研究表明所提出的拓扑优化和形状优化在设计效率和精度都有所提高,在机体的低振动设计中可行且有效。     

变载荷铣削力影响下的加工中心床身结构优化设计

针对加工中心工作过程中变载荷铣削力对床身结构性能的影响问题,对加工中心床身的材料密度分布以及构成床身的基本结构单元尺寸进行了研究。提出了以床身低阶固有频率和最小柔度为目标,体积分数为约束条件的多目标拓扑优化设计方法;采用折中规划法结合平均频率法,构建了变载荷铣削力影响下的多目标拓扑优化数学模型;依据变密度法拓扑优化指导的材料去除方案,获得了加工中心床身的最佳结构布局;同时结合经过优化的拉丁超立方采样,构造了单元标准二阶响应面,使用多目标遗传算法对床身进行了多目标尺寸优化。研究结果表明:优化后床身固有频率增加16.9%,床身质量减少17.4%,最大变形量降低14.4%,最大应力降低18.8%;该优化方案使加工中心床身的结构布局更加合理,实现了轻量化设计。     

机械结构参数化三级优化设计方法研究与实现

针对传统设计方法的设计结果安全系数过高、结构材料浪费严重的问题,在深入研究优化设计方法的基础上,根据现有优化设计方法的不足,提出机械结构的参数化三级优化设计方法。通过建立统一数据管理机制,将优化设计与参数化设计技术相结合,在基于变密度法的拓扑优化设计与单元生死技术的基础上,以结构最大柔度为优化目标,体积和平衡条件为约束条件,小密度单元为杀死单元,实现了参数化的连续体结构拓扑优化;研究了基于拓扑优化结果数据的参数化CAD模型生成技术,通过建立关键点实现了拓扑优化结果CAD模型的自动生成;在此基础上,研究了形状优化设计和尺寸优化设计与参数化设计技术相结合的优化方法;通过优化结果数据提取,快速进行优化结果模型的生成,实现了机械结构的快速参数化三级优化,避免了现有结构优化设计过程中手动进行模型修改更新操作复杂、浪费时间的弊端;最后,以某型号汽车转向器支架为例,验证了该方法的有效性。     

档位互换机构壳体拓扑优化

为实现档位互换机构壳体轻量化和减少壳体疲劳破坏的问题.将基于变密度法的结构拓扑优化技术方法应用到壳体优化中,根据各轴最大输出转矩,结合壳体强度和刚度.以壳体柔度为最小目标,体积分数为约束条件,对壳体模型进行拓扑优化分析,并对优化设计的壳体进行应力分析和模态分析设计出最优方案.仿真结果表明:通过拓扑优化设计出的壳体模型的重量明显减轻,一阶模态避开了壳体的固有频率避免产生共振,在正常工况下最大应力相对优化前有所减少且低于材料屈服极限,实现壳体的拓扑优化设计.     

基于ABAQUS的平沙系统悬臂梁结构拓扑优化

针对平沙系统工作中出现精度较低和容易引起共振的问题,对平沙系统悬臂梁结构进行拓扑优化设计.从悬臂梁内部材料布局出发,以材料的畸变能密度为优化目标,在Abaqus软件中采用变密度法对悬臂梁进行拓扑优化设计,得到最合理的材料分布.优化结果表明,当施加载荷在工况要求的400 N时,悬臂梁最前端位移量由优化前的4.205 mm...     

基于ANSYS的高加速度转子部件轮廓拓扑优化研究

针对高加速度转子部件的优化设计问题,建立了以结构柔顺度为目标函数,以体积为设计变量优化模型。采取单组件多约束的拓扑优化方法,利用ANSYS软件中的拓扑优化设计模块对转子部件的周向轮廓进行拓扑优化分析,得出针对高加速度转子部件轮廓优化的一般规律;同时对优化结果进行分析,从而得出在该优化模型的基础上主要设计参数的确定原则。     

某型重卡板簧支架结构优化设计

针对某型重卡底盘系统结构整体改进后,车架安装孔位的变化致使板簧支架固定约束减少以及制造工艺的需改进等问题,企业要求在保障原有结构的使用功能和使用精密铸造工艺的基础上,对板簧支架进行更优的结构设计,并且不能增加其质量。首先根据原有模型的结构以及安装孔位的变化,确定其基本的结构模型;以此结构为优化对象,在极限工作的状况下,以降低结构质量为目标,以结构强度为约束,对支架结构进行拓扑优化设计;依据拓扑优化的结果,应用铸造工艺和设计经验进行再次设计,可得到最后的优化设计结果。优化后结构,在满足原有功能的前提下,设计出精密铸造的优化模型,达到了企业需求目标,这对重卡新型支架类零件的结构优化设计有重要的参考价值。