基于SIMP理论的衡器载荷测量仪悬臂梁拓扑优化研究

针对高精度衡器载荷测量仪反力机构的悬臂梁质量较大的问题,对高精度衡器载荷测量仪的工作原理、悬臂梁加工工艺和拓扑优化方法进行了研究。利用ANSYS对优化前的反力机构进行了静力学分析,基于固体各向同性材料(SIMP)理论对悬臂梁进行了拓扑优化设计,建立了悬臂梁拓扑优化数学模型,运用优化准则法更新了设计变量,求解了位移约束下悬臂梁体积最小的拓扑结构;利用Tosca Structure对建立的数学模型进行了求解,得到了满足设计要求的悬臂梁结构,最后对优化后的悬臂梁进行了静力学分析,并与优化前的分析结果进行了对比。研究结果表明,优化后悬臂梁减重19.8%,悬臂梁结构满足强度要求;且悬臂梁竖直方向最大位移量为4.796 91 mm,可以保证高精度衡器载荷测量仪检定的准确度,由此验证了新悬臂梁结构的可行性。     

悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计

对二维悬臂梁结构进行初始数值分析,确定贴片布置方式。根据力传感器的设计要求,如贴片区域的应力集中、刚度和重量等,基于常用的SIMP拓扑优化方法,建立拓扑优化模型。结合敏度过滤、密度过滤方法和优化模型参数的连续化方法,使优化的结构收敛到一个细结构较少的拓扑构形。采用MMA优化算法对优化模型进行求解,实现对悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计。最终优化结果显示,经拓扑优化得到一个应变在贴片区域集中的优化结构,并达到四个贴片区域的应变量一致。     

发动机安装车悬臂梁的设计与优化

悬臂梁作为发动机安装车上最重要的承力构件之一,除必须具有足够的强度和刚度之外,同时还要保证质量较轻,最终才能保证发动机安装车的正常使用和安全性。通过分析悬臂梁的工作原理,建立出零件的初步三维模型,通过设定边界条件和添加载荷,利用有限元数值模拟技术进行分析,结果显示强度满足要求、但质量过大,需进一步优化改进。利用Workbench环境中的拓扑优化模块对零件进行形状和尺寸的优化,最终得到了满足强度条件下质量更轻的悬臂梁。经实物称量,该零件的实际质量较设计之前减少了14.25 kg、减幅达51.59%,为今后该类型零件的设计提供一定的参考。     

基于仿真和TOC的航天组件生产系统分析与优化

针对液体火箭发动机组件生产系统效率低和资源浪费等问题,提出了面向具有加工工序多、设备多、工位重入等复杂性和不确定性的生产系统的分析与优化方法。基于仿真目的和需求开展调研与数据收集,结合Plant Simulation软件对某液体火箭发动机组件生产系统进行建模仿真,运用TOC(Theory of Constraints,约束理论)对其分析以指导模型调试,从瓶颈工序和暂存区容量角度优化。结果表明该生产系统设备利用率提升明显,资源配置改善显著,证实了文中所提方法的有效性,为企业管理者提供了理论指导和技术支持。     

考虑不确定性的制动器制动稳定性优化

制动器在制动过程中由于载荷、环境等因素的影响会产生不同程度的噪声,为了提高制动器的制动稳定性,提出了一种考虑不确定性的制动器摩擦副结构优化方法。基于复特征值法,建立摩擦副系统稳定性模型并给出摩擦副系统阻尼比;考虑摩擦因数等参数不确定性,建立了实部和虚部响应面模型,进行了实部值敏感度分析。通过对给定实例进行有限元分析,将有限元分析结果与拟合实部值结果对比,发现两者差异不大,验证了文中优化方法的可靠性,为后续制动器的工程应用提供理论依据。     

基于拓扑优化的发动机支架设计方案对比分析

为得到发动机支架材料合理分配的拓扑结构形式,对原始的横梁结构进行了拓扑优化分析,并根据密度等值面分布图对结构进行人工处理,设计出两种发动机支架方案。通过有限元分析和强度试验,证实方案一结构所受最大应力小、受力分布均匀,更加符合设计要求。发动机支架的成功设计表明,拓扑优化是一种有效的结构概念设计方法,能够为工程设计人员提供合理的结构设计参考方案。     

基于支持向量机和粒子群算法的稳健优化

针对实际工程中不确定性因素与产品质量特性之间不具有显式函数关系的稳健优化问题时,代理模型的精度成为关键。本文提出一种基于支持向量机代理模型和粒子群算法的稳健优化方法,采用拉丁超立方试验设计采样布点,优化问题的目标性能函数、约束函数的均值和标准差由具有自动参数优化的支持向量机模型替代,采用粒子群优化算法对稳健优化模型进行求解。以典型的两杆结构优化为例,结果表明支持向量机代理模型的综合性能比常用的响应面、BP神经网络和Kriging模型更优越,稳健优化结果比较理想,为复杂产品的不确定性设计优化提供了一种新的思路。     

提升高温应变计寿命及精度的结构优化方法研究

高温应变电测技术广泛应用于航空发动机热端部件应力状态测量,如何将高温应变计的各部分结构参数进行合理搭配,以提高应变计灵敏度及使用寿命,在工程中具有十分重要的价值。首先,针对影响高温应变计测量误差与疲劳寿命这两个目标,分别建立简支梁-测量误差模型与悬臂梁-疲劳寿命模型;然后,经有限元分析得到各个参数变化对应变计测量误差以及疲劳寿命的影响规律,进而筛选出待优化的参数;接着,采用遗传算法与响应面法相结合对高温应变计进行优化;最后,通过试验对最终优化结果进行验证。结果表明,单参数分析法能直观反映各个参数对应变计灵敏度与寿命的影响规律,基于响应面模型和多目标遗传算法的优化,可得出高温应变计栅丝直径、栅丝长度、栅丝间距、栅丝弯数、基底厚度5个参数的最佳参数组合;优化后的测量误差为0.255%,疲劳寿命达到2.384 6×10~7次循环;试验验证结果表明,多目标优化后测量误差降低了89.2%,疲劳寿命提升了10.14%。     

基于反应-扩散模型的连续体结构拓扑优化仿生方法

通过反应-扩散模型和有限元方法的耦合建立了骨重建数学模型。通过像素单元的添加和删除准则,把骨重建过程转化为材料形成和材料被吸收过程,对连续体结构提出仿生拓扑优化计算方法。再次对连续体结构拓扑优化中广泛被应用的Michell型结构进行拓扑优化计算,以及将其结果与其它几种拓扑优化方法进行比较,验证了文中方法的有效性。最终在两种不同边界条件下对长悬臂梁模型进行拓扑优化计算,获得规则性和对称性的拓扑形式。     

基于RBF神经网络的补燃火箭发动机频率预测

为避免建立或修改计算量巨大的发动机有限元模型,研究探讨径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络在液体火箭发动机频率预测中的应用。以某型高压补燃液氧/煤油火箭发动机为研究对象,在考虑喷管内外壁材料差异的基础上,利用刚度和质量等效原则,建立了喷管有限元模型。然后采用分布参数法建立了补燃循环火箭发动机的有限元模型,同时利用模态试验数据修正有限元模型。根据结构灵敏度分析理论,选择不同的结构参数组合作为训练样本训练神经网络,并利用训练好的神经网络预测发动机结构频率。研究结果表明,RBF神经网络能较好地预测液体火箭发动机结构频率,预测误差在1.0%以内。同时该方法具有收敛速度快的优点,可广泛应用于火箭发动机数值仿真领域。     

UG和ANSYS结构优化设计比较

对UG和ANSYS两软件在结构优化设计方面进行比较,证明了用UG软件做结构优化设计是可行的,其分析结果是可靠的。通过UG和ANSYS对悬臂梁的结构优化设计分析,对比两者的操作过程及分析结果,发现用UG做结构优化虽有一些不足,但是操作简单,建模方便,并且结果和ANSYS分析结果相似,比较准确。     

周期狭长结构拼装模块尺寸效应与构型优化

针对狭长结构拓扑优化过程中存在的计算困难、有中间密度存在和优化构型复杂等问题,提出周期模块拼装方法,并建立混合梁单元模块有限元模型,开展了狭长结构的拓扑优化设计。以承受均布压力载荷的悬臂狭长结构为例,分析比较了不同模块数、不同材料用量以及不同截面梁对优化结果的影响。计算结果显示,采用周期模块拼装策略能获得规则简单易制造的优化构型,周期狭长结构具有尺寸效应且存在最佳模块尺寸来最大化拼装结构刚度。将混合梁单元模型的模块尺寸与拓扑协同优化结合,获得了清晰规则的类桁架构型。最后应用所提方法实现了周期狭长梯形结构的构型优化。     

Pro／E的变截面悬臂梁局部敏感度分析

结合Pro／E的参数化及行为建模技术,提出一种新的变截面悬臂梁结构参数优化方法。结合实例,在Pro／Mechanica工作环境中,通过灵敏度分析确定主要参数对模型影响的敏感程度,对变截面悬臂梁的结构参数进行优化,实现悬臂梁的优化设计,从而根据设计者的特定要求确定出对最大应力变化影响最大最敏感的设计参数,达到周期更短、更精确地设计目标。该方法可以推广应用于其他机械零件的结构设计中。     

利用聚类分析的宏细观多尺度并行拓扑优化设计方法研究

多孔材料因为具有质量轻、比刚度和比强度大、隔振和隔热效果好等优点,越来越多的应用在航空航天和制造装备等领域。为充分发挥多孔材料的性能,本文提出同时考虑结构的宏观性能和细观微结构性能的多尺度并行拓扑优化设计方法,获得性能优良的多孔结构。论文采用聚类方法有效降低了计算成本,针对并行优化难收敛的问题提出改进模型,使迭代平稳收敛。最后以经典的悬臂梁、MBB梁和Michell结构为例进行优化设计,通过对宏细观多尺度并行优化结果的分析,验证了所提方法的有效性与正确性。     

基于水平集方法的结构可靠性拓扑优化

基于水平集方法,建立以水平集函数为优化变量、结构柔度极小化为目标、具有可靠性约束的结构拓扑优化模型,并提出一种基于可靠性的结构拓扑优化算法。首先,采用计算效率高的一次二阶矩法进行可靠性分析,编制计算可靠性指标的最优化方法。然后,根据结构可靠性指标的几何意义,优化求解符合可靠性约束的随机变量。将修正后的随机变量作为确定性变量进行结构拓扑优化设计,使基于可靠性的结构拓扑优化模型转为常规的结构拓扑优化模型,采用稳定、高效的水平集方法进行结构拓扑优化。最后以悬臂梁结构的可靠性拓扑优化为例,说明文中所提算法的简便性与有效性。     

时间序列模型中的随机共振现象

在滑动自回归(auto regressive and moving average,简称ARMA)时间序列模型的基础上,利用模态稳定性图来确定系统真实模态,描述了在求解过程中产生的随机共振现象。借助悬臂梁的有限元模型,利用精细时程积分方法计算得到了其加速度脉冲响应函数,建立了用于振动模态识别的ARMA模型。在利用模态稳定性图来确定系统真实模态的过程中发现,加入合适的噪声信号可以有效地改善识别结果,剔除虚假模态,即产生了随机共振现象。对悬臂梁进行时变化处理后,随机共振现象较之前不变系统更加显著,对最终识别结果产生了明显的优化作用。     

模糊物理规划及其在结构设计中的应用

考虑了工程多目标优化设计中存在的模糊不确定性，在物理规划的基础上，引入模糊物理规划概念，建立了模糊物理规划的数学模型，提出了模糊物理规划的求解方法。应用建立的理论和方法对模梁进行优化设计，并与不考虑模糊性时的计算结果进行了比较。实例分析表明，应用模糊物理规划所得到的计算结果更准确，更符合工程实际情况。     

Optimum design of structures subjected to follower forces

In this paper, shape optimization is used to optimize the critical load of an Euler–Bernoulli cantilever beam with constant volume subjected to a tangential compressive tip load and/or a tangential compressive load arbitrarily distributed along the beam. This is achieved by varying appropriately the beam cross-section, thus its stiffness and mass properties, along its length, so that the critical load reaches its maximum or a prescribed value. The problem is reduced to a nonlinear optimization problem under equality and inequality constraints as well as specified lower and upper bounds, which, together with large slenderness ratios, ensure the validity of the Euler–Bernoulli theory and the serviceability of the beam. The evaluation of the objective function requires the solution of the dynamic stability problem of a cantilever beam with variable cross-section. This problem is solved using the analog equation method (AEM) of Katsikadelis for the fourth-order hyperbolic differential equation with variable coefficients, together with a simple and direct iterative method for the evaluation of the critical load based on the eigenvalue sensitivity. Besides its accuracy, this method overcomes the shortcoming of a possible FEM solution, which would require resizing of the elements and re-computation of their stiffness properties during the optimization process. Example problems of various types of follower forces are presented, which illustrate the method and demonstrate its applicability and efficiency.     

基于可加工性的悬臂结构件轻量化设计

基于轻量化设计要求,利用OptiStruct平台对一种5自由度机械手的关键悬臂结构件进行拓扑结构优化。优化过程中加入了对称、脱模方向等约束,提高了零件的可加工性;并对优化后的模型做了强度、刚度校核。对比经验结构与拓扑优化结构,显示了拓扑优化方法的优势。优化设计后的悬臂结构件重量减轻了24.8%,达到了轻量化设计的目的,该成果已经应用于实际生产设备。     

A study on ranked bidirectional evolutionary structural optimization (R-BESO) method for fully stressed structure design based on displacement sensitivity

Evolutionary Structural Optimization (ESO) method is well known as one of several topology optimization methods and has been applied to a lot of optimization problems. While ESO method evolves the given model into an optimum by subtracting several elements, in AESO method elements are added in a previous step of the evolutionary procedure. And in BESO (Bidirectional ESO) method, some elements are either generated or eliminated from a previous model of evolutionary procedure. In this paper, Ranked Bidirectional Evolutionary Structural Optimization (R-BESO) method is introduced as one of the topology optimization methods using an evolutionary algorithm and is applied to several optimization problems. The method can get optimum topologies of the structures throughout fewer iterations comparing with previous several methods based on ESO. R-BESO method is similar to BESO method except that elements are generated near a candidate element according to the rank calculated by sensitivity analyses. The displacement sensitivity analysis was adopted by the nodal displacements of a candidate element in order to determine a rank on the free edges for two dimensional model or the free surfaces for three dimensional model. In this paper, R-BESO method is proposed as another useful design tool like the previous ESO and BESO method for the two bar frame problem, the Michell type structure problem and the three dimension short cantilever beam problem, which had been used to verify reasonability of ESO method family. For the three dimensions short cantilever beam problem an optimized topology could be obtained with much fewer iterations with respect to the results of other ESO methods.