基于灵敏度及层次分析法的键合头多目标结构优化

为满足保证键合头动态特性、避免共振条件下达到结构轻量化设计要求,提出基于灵敏度计算参数优选及基于层次分析法最优解提取相结合的多目标优化设计方法。通过有限元仿真计算与模态实验结合研究键合头动态特性验证有限元模型精度。针对拾取臂部件设计参数进行灵敏度分析并提取优化设计变量。用多目标遗传优化算法对拾取臂以一阶固有频率、结构质量为目标优化计算,用层次分析法优选出最佳优化方案。结果表明,优化后拾取臂一阶固有频率提高27.1%,结构质量减轻8.9%,且键合头已避开共振频段达到设计要求。该研究方法具有较高的精度及应用价值。     

饲草揉碎机转子模态分析及结构优化

针对目前饲草揉碎机转子工作时存在振动、噪声大的问题,为避免发生共振,采用理论分析和有限元仿真方法对转子自由模态进行计算,并通过模态试验对理论分析和数值计算结果进行验证。在此基础上,采用流固耦合方法对转子进行预应力模态分析。对转子进行共振分析发现激振频率与转子低阶频率较接近,极易发生共振,为增大激振频率和转子低阶频率避开率,基于响应面法对影响转子振动特性的结构参数进行优化。分析结果表明:预应力对转子的前3阶模态影响较大,频率分别提高了14.01%、12.01%以及10.54%;锤架板厚度对转子第1阶频率影响较大,主轴直径次之,锤架板直径影响最小;优化后频率避开率由原来的5.03%增大为20.83%,避免了共振的发生,且转子强度和刚度均满足使用要求。     

一种静态转子系统连接参数辨识方法

针对转子系统连接参数辨识问题,研究一种转子系统连接参数的辨识方法。以某型含膜盘联轴器的转子试验器为研究对象,建立转子系统有限元模型,将支承刚度、支承位置和膜盘联轴器连接刚度作为辨识参数,并进行参数灵敏度分析。基于大量仿真样本,采用支持向量回归(SVR)算法建立连接参数和固有频率之间的计算代理模型。在模态试验基础上,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II),基于多阶固有频率建立多目标函数,利用多目标优化法,寻找转子连接参数在修正区间中的Pareto最优解,最终识别出转子系统的多个连接参数。与试验结果相比,修正后的动力学模型固有频率仿真结果:第1阶的精度达到97.62%;第2阶的精度达到99.70%。     

张紧器系统对顶张式立管固有频率的影响研究

采用Euler-Bernoulli梁模型建立立管的水平运动控制方程,并应用Galerkin方法化简求得立管的固有频率。考虑平台的升沉运动,对比了推导的张紧器详细模型和工程常用的简化模型下立管的固有频率。最后基于推导的详细模型,研究了张紧器结构参数对立管固有频率的影响。结果表明:立管固有频率受浮体升沉运动的影响,浮体升沉运动会改变立管的共振特性,引起立管共振点的迁移和转变;采用不同张紧器模型,立管固有频率存在差异,且该差异随着固有频率阶次的增大而增大;立管固有频率受张紧器结构参数的影响,在实际工程中应合理选择张紧器的参数大小,以避免发生参激共振和涡激共振。     

内齿轮成形磨削砂轮架振动特性实验研究

为提高内齿轮成形磨齿机砂轮架结构的稳定性,应用有限元对砂轮架进行了模态分析和谐响应分析,得到了磨削头的前6阶振型和固有频率,研究了砂轮架的应力和位移对频率的响应特性.基于响应曲面优化分析法对砂轮架结构参数进行多目标优化,确定最优的结构参数,提高振动特性.在多种磨削工况下对优化前后的磨削头进行振动试验,结构优化后的砂轮架...     

基于BP神经网络的转动架稳定性灵敏度分析

转动架作为某型游乐设备的关键部件,其固有频率和屈曲强度直接关系着结构的稳定性。运用有限元软件ANSYS Workbench建立转动架的有限元模型,通过模态分析和谐响应分析得到对转动架振动影响最为显著的固有频率,通过屈曲稳定性分析得到转动架失稳时的屈曲特征值,并运用试验设计获得140个样本点。为探索各个设计参数对转动架固有频率和屈曲强度的灵敏度,运用MATLAB软件建立BP（back propagation,反向传播）神经网络数学模型并对样本点进行拟合,再通过Isight与MATLAB的集成应用,利用描述性蒙特卡洛抽样法对神经网络模型进行数值模拟。结果表明：对转动架稳定性影响较大的危险模态主要是第10至第12阶模态;对转动架危险模态频率影响较大的主要是肢杆壁厚度、肢杆截面长度和肢杆截面宽度,而对转动架屈曲稳定性影响较为明显的则是肢杆、腹杆和圆板的6个尺寸参数。研究结果表明,合理地改善对转动架稳定性影响较大的设计参数将有效地提升其稳定性和设计效率,这可为该结构的后续设计和优化提供一定的借鉴和参考。     

基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台设计与分析

针对由压电陶瓷驱动的微定位平台工作行程不足的问题，设计了一种基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台。考虑到不同柔性铰链的物理特性，通过差异化的铰链组合方式来优化新型二自由度微定位平台的性能，使其具有较快响应速度和大范围输出位移。基于拉格朗日定理，构建了新型二自由度微定位平台的刚度模型，并推导了其固有频率的解析表达式。有限元仿真结果表明，该二自由度微定位平台刚度模型的误差较小，验证了刚度建模方法的准确性和可靠性。研究结果可为柔性精密微定位平台的构型设计和建模分析提供一定的理论指导。     

带滚珠丝杠副的精密定位平台轴向刚度建模与测试

为了满足大尺寸光栅拼接架五维调整的要求,在每个方向上设计了由滚珠丝杠副组成的精密定位平台。精密定位平台中的可动结合部刚度特性决定了平台的定位性能。基于赫兹接触理论以及虚拟材料参数化建模方法分别建立了平台轴向静刚度的力学模型和有限元模型,并进行了对比分析。最后通过实验验证了两种建模方法的合理性。     

基于BP-GA的冲击破岩掘进机工作机构动态优化

为了改善某型冲击破岩掘进机工作机构的动态性能,利用ANSYS Workbench建立有限元模型,通过模态分析和谐响应分析,得到其第1至第6阶固有频率和模态特性,确定了影响动态性能的模态频率;经灵敏度分析,确定了影响工作机构动态性能的主要结构参数;利用BP神经网络模型,建立所选结构参数与最大动应力、弯曲动刚度和钎杆顶端动位移间的映射关系,运用遗传算法对结构参数进行动态性能优化.结果表明,优化后工作机构的最大动位移和最大动应力分别减小27.5%和43.07%,固有频率提高24.7%,明显改善了工作机构的动态性能.     

基于模态灵敏度分析的客车车身优化

针对提高国产某轻型客车的乘坐舒适性,解决车内振动和噪声剧烈问题,本文首先基于有限元仿真和道路试验的阶次跟踪方法进行振动和噪声原因分析,所确定的原因为轮胎激励引起的车身结构共振。为避免共振,以白车身钣金件和骨架的厚度为设计变量,以提高白车身前两阶固有频率为目的,用模态灵敏度理论对白车身进行优化设计和灵敏度分析。然后结合各钣金件和骨架的模态灵敏度和质量灵敏度,设计最优的改进方案并进行试验分析。对比优化前后的试验结果,验证了该优化方案的有效性与合理性。     

Structure optimization of connection frames based on frequency sensitivity in macro-micro motion platforms

High-performance connection frames are of great significance for ultra-high acceleration and ultra-precision positioning in macro-micro motion platforms. This paper first takes the connection frame as a research object,builds a finite element model(FEM) of the natural frequency of the frame, and then verifies the correctness of this model. The frequency sensitivity method is then used to perturb the structural parameters of the FEM of the connection frame, and the sensitivities of the first-order natural frequency and mass of the corresponding structural parameters are obtained by calculation and analysis. The design variables are also determined. The natural frequency is used as the optimization objective, and the design parameters and mass of the connection frame are constrained. The structural parameters of the connecting frame are obtained through optimization, and the model is built and verified by experiments. The results show that the first-order natural frequency of the connecting frame is effectively improved by the frequency sensitivity method, avoids resonance between the connecting frame and the voice coil motor, and realizes the lightweight design of the connection frame. This research provides a reliable basis for the stable operation and ultra-precision positioning of ultra-high acceleration macro-motion platforms.     

基于刚柔耦合的液压挖掘机机械臂非线性动力学研究

为准确描述液压挖掘机机械臂动动力学模型,根据柔性多体动力学理论,采用模态函数描述臂架的弹性变形,利用LAGRANGE定理和虚功原理建立挖掘机臂架系统刚柔耦合的非线性动力学方程。对已建立的动力学方程利用MATLAB进行数值求解, 运用仿真软件ADAMS及NASTRAN建立液压挖掘机机械臂刚柔耦合模型并进行仿真分析,通过对比二者结果表明动力学方程建模方法的正确性。运用数值求解的方法进行模态计算和动力学响应分析,求解相关几何参数的一阶固有频率灵敏度,分析了影响机械臂动力学特性的主要模态参数,为进一步研究其结构优化及运动精度控制提供依据。     

考虑静动力学特性的材料结构一体化多目标优化设计

针对复合材料微结构的内部构型和宏观排布的可设计性,以结构基频最大和柔度最小加权系数为目标,将微结构设计和多尺度计算结合,建立了考虑静动力学特性的材料/结构一体化多目标优化设计模型,实现了相应的算法和算例.方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量,采用RAMP(Rational Approximation ofMaterial Properties)方法对密度进行惩罚,利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系,通过规一化目标函数有效避免了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.研究结果表明：该方法是有效的,可作为对轻质结构进行静动态多目标优化设计的一种新方法.     

纳米光栅动静态校准工作台

为了改善纳米光栅校准装置校准精度、校准量程及动态频响难以兼顾的问题,采用宏微运动控制方法驱动校准装置作快速、精密、大范围运动。宏动平台由静压气浮导轨和直线电机组合而成,微动平台由柔性铰链和压电陶瓷构成。对宏动平台和微动平台进行动力学建模,并获得宏微运动平台的传递函数。设计微动跟随宏动和宏动跟随微动两种控制策略,并进行建模和仿真分析,利用搭建的实验平台进行了校准装置的性能测试。实验结果表明:宏动跟随微动控制策略具有较高的动态频响性能,校准装置在全行程20 mm内分辨力达到5 nm;在幅值为0.05 mm的正弦频率响应实验中,动态频响达到100 Hz,可满足纳米光栅的动静态校准要求。     

基于变频率区间约束的结构材料优化设计

针对频率约束的结构材料优化问题,基于结构拓扑优化思想,提出变频率区间约束的结构材料优化方法。借鉴均匀化及ICM(独立、连续、映射)方法,以微观单元拓扑变量倒数为设计变量,导出宏观单元等效质量矩阵及导数,进而获得频率一阶近似展开式。结合变频率区间约束思想,获得以结构质量为目标函数、频率为约束条件的连续体微结构拓扑优化近似模型;采用对偶方法求解。通过算例验证该方法的有效性及可行性,表明考虑质量矩阵变化影响所得优化结果更合理。     

Numerical and experimental investigations on the vibration band-gap properties of periodic rigid frame structures

The spectral element method (SEM) is extended to study the vibration band-gap characteristics of periodic rigid frame structures composed of Timoshenko beams. The tensional and bending elements are taken into account for deducing the element stiffness matrices which are assembled to establish the spectral equations of motion of the whole rigid frame structure. The validity and accuracy of the natural frequencies and frequency responses obtained by the SEM are verified by comparing the present numerical results with the results of the experiments and the finite element method (FEM). The results indicate that the SEM is very suitable for analyzing the dynamic response and vibration band-gap properties of the periodic frame structures, and the SEM is more effective and accurate than the FEM, especially for the high frequency responses. The influences of the structural and material parameters on the vibration band-gaps are analyzed, and some new configurations of the periodic rigid frame structures are designed to obtain more and wider frequency band-gaps and consequently to improve the structural vibration isolation capability.