汽车驱动桥壳静动态特性分析与多目标优化研究

针对在驱动桥壳的设计过程中为满足强度和刚度要求而存在的重量冗余问题,提出了一种结合灵敏度分析与响应面模型的多目标优化设计方法。基于ANSYS在3种典型工况下对驱动桥壳进行了静动态特性分析,将驱动桥壳的5个尺寸参数定义为设计变量,以最大变形、最大等效应力、重量和第一阶固有频率为目标函数;采用Box-Behnken试验设计方法对设计变量进行了试验设计、灵敏度分析和响应面分析,研究了驱动桥壳5个尺寸参数变化对目标函数的影响;在响应面分析的基础上,利用遗传算法对驱动桥壳进行了多目标优化。研究结果表明:优化后驱动桥壳的最大变形减小了1.8%,最大等效应力减小了6.57%,重量减小了6.28%,第一阶固有频率增加了2.1%;该结果证明了所提出的驱动桥壳多目标优化方法具有可行性。     

注塑机械手的动态多目标优化

为了满足在保证注塑机械手初始动态刚度的条件下达到整机轻量化的要求,提出基于整机质量、一阶最大变形量和一阶固有频率为目标函数的整机多目标优化设计方法。运用ANSYS软件对参数化模型进行模态分析。使用中心复合设计的试验方法选取合适的结构有限元分析样本点,对样本点处的整机动态特性进行计算和分析,建立反映结构设计输入与响应输出关系的二次多项式响应面模型。建立注塑机械手的多目标优化数学模型,比较分别使用多目标遗传算法、筛选算法、非线性二次规划算法获取的Pareto解集得到最优解。对基于加权平均法的灵敏度分析得到的各设计变量灵敏度值平均数进行排序,可以帮助设计人员淘汰部分设计变量,从而提高优化效率。最后,在保证注塑机械手整机动态性能不降的前提下,整机质量减轻了11.27%。结果表明,该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

基于刚度和模态的某自卸车车架轻量化设计

利用有限元模态分析理论,分析了某自卸车车架的动态特性,结合车架模态试验验证了模型的合理性。在已验证的模型基础下求解了车架的弯曲和扭转刚度。进行灵敏度分析以确定有效的设计变量。以车架总质量为目标函数,以刚度和1阶固有频率为约束条件,建立轻量化优化模型。通过拉丁方试验设计方法选取样本点,运用径向基函数构造模型各响应的近似模型,采用遗传算法求解近似模型。获得的优化结果参数代入实际模型后结果表明车架总质量在满足刚度和1阶模态频率约束要求下下降了18.37 kg。     

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。     

移车台结构系统分析及轻量化设计

以某移车台车架结构为研究对象,在ANSYS软件中建立其参数化有限元模型并进行分析。针对分析结果中悬臂端刚度不足的问题,除将车架主梁、横梁截面尺寸作为优化设计变量外,增加结构支承位置作为优化设计变量,建立了两种移车台优化数学模型。在Isight软件中建立响应面近似模型,利用多岛遗传算法寻优求解。优化结果表明,改进后移车台车架结构的强度、刚度均满足设计要求,且结构自重下降33. 72%,轻量化效果显著。研究结果可对移车台车架结构方案的合理制定及改进提供依据。     

基于响应面法的蜂窝芯固有频率优化设计

对负泊松比蜂窝芯单元结构动态性能进行研究,选择蜂窝芯单元横梁长度、斜梁长度和其夹角三个参数为优化变量,运用响应面法理论模型建立了蜂窝芯单元结构前2阶固有频率近似显式数学模型;以提高蜂窝芯单元结构抗振性为研究目标,运用加权系数法将2阶固有频率模型转化为单目标问题研究,采用遗传算法对目标进行优化。参数优化结果表明,其前2阶固有频率分别提高了20%和35%,为航空航天结构应用提供了一定的参考价值。     

基于响应面法的无轨门机T型架优化设计

针对无轨门机T型架设计存在冗余的现象,在满足设计要求的前提下,对T型架进行优化设计。以某无轨门机T型架的结构尺寸与板厚为初始设计变量,以刚度、强度与结构自重为输出响应,通过ISIGHT中的最优拉丁超立方设计方法生成初始样本点,利用试验分析筛选出最终设计变量。利用ANSYS与ISIGHT软件,建立响应面近似模型,以T型架的刚度与强度为约束条件,其结构自重最轻为优化目标,采用多岛遗传算法进行全局寻优。结果表明:该优化方法使T型架的质量减轻了36.12%,轻量化效果较为明显,为无轨门机T型架的设计与改进提供了一定的理论依据。     

基于响应面法的龙门加工中心回转工作台结构优化设计

以某龙门加工中心回转工作台为研究对象,采用有限元方法对其进行静动态特性分析和优化设计。为提高回转工作台刚度和减轻重量,对主要设计参数进行Box-Behnken试验设计。在试验设计的基础上,对设计参数进行灵敏度分析并建立响应面模型,采用多目标优化算法对响应面模型进行优化,结合生产工艺确定最佳优化方案。优化结果表明,采用上述方法对回转工作台进行优化后,其最大变形量减少了36.8%,第一阶固有频率提高了5.4%,重量减少了2.6%,为回转工作台的优化设计提供了一种新思路。     

数控龙门铣床横梁静动态特性分析与优化

为了提高数控龙门铣床横梁的静动态特性,提出了一种基于灵敏度分析与中心组合设计(Central Composite Design,CCD)相结合的方法对横梁结构进行优化设计.在对横梁进行受力分析的基础上建立横梁的有限元模型,选择关键尺寸对横梁进行静动态特性的灵敏度分析.根据灵敏度分析结果,选择对横梁的静动态特性影响比较大的尺寸进行CCD试验设计,建立响应面模型,以总变形量最小、1阶固有频率最大和质量最小为优化目标对横梁进行多目标优化设计.优化结果表明:横梁在质量减轻的前提下,其静动态特性得到不同程度的改善,为其他结构的优化设计提供了一种新思路.     

数控龙门铣床横梁静动态特性分析与优化

为了提高数控龙门铣床横梁的静动态特性,提出了一种基于灵敏度分析与中心组合设计(Central Composite Design,CCD)相结合的方法对横梁结构进行优化设计.在对横梁进行受力分析的基础上建立横梁的有限元模型,选择关键尺寸对横梁进行静动态特性的灵敏度分析.根据灵敏度分析结果,选择对横梁的静动态特性影响比较大的尺寸进行CCD试验设计,建立响应面模型,以总变形量最小、1阶固有频率最大和质量最小为优化目标对横梁进行多目标优化设计.优化结果表明:横梁在质量减轻的前提下,其静动态特性得到不同程度的改善,为其他结构的优化设计提供了一种新思路.     

数控龙门铣床横梁静动态特性分析与优化

为了提高数控龙门铣床横梁的静动态特性,提出了一种基于灵敏度分析与中心组合设计(Central Composite Design,CCD)相结合的方法对横梁结构进行优化设计.在对横梁进行受力分析的基础上建立横梁的有限元模型,选择关键尺寸对横梁进行静动态特性的灵敏度分析.根据灵敏度分析结果,选择对横梁的静动态特性影响比较大的尺寸进行CCD试验设计,建立响应面模型,以总变形量最小、1阶固有频率最大和质量最小为优化目标对横梁进行多目标优化设计.优化结果表明:横梁在质量减轻的前提下,其静动态特性得到不同程度的改善,为其他结构的优化设计提供了一种新思路.     

车身动态刚度链建模及正向概念设计研究

提出了车身正向概念设计流程,由车身A级面及整车总布置方案建立了车身简化几何模型,确定了22个车身主断面位置,并以主断面属性为设计变量,基于梁单元理论与传递矩阵法得到模态坐标系下的车身动态刚度链数学模型,建立了主断面属性与车身固有频率的关系。以车身轻量化为目标函数,以车身静刚度与固有频率为约束条件对车身进行优化,采用遗传算法求解,确定优化后的各主断面属性参数。通过对比近似标杆车的静刚度与模态分析结果验证了动态刚度链设计方法的可行性。     

大型升船机船厢门有限元优化设计

构建了某大型升船机弧形船厢门Ansys有限元模型,定义了16个参数化设计变量。采用最优梯度法,分析了各参数化设计变量对结构质量、最大VonMises应力、最大综合位移及结构第1阶固有频率的灵敏度,筛选了设计变量,评估了状态变量的变化趋势。以船厢门质量为优化目标,以船厢门结构应力、位移及结构第1阶固有频率为状态变量,采用子问题近似法进行有限元优化计算,得到了1组圆整的结构设计参数,满足结构刚度和强度要求,总质量降低22.19%,第1阶固有频率提高4.4%。     

龙门加工中心移动横梁关键结构设计与优化

龙门加工中心移动横梁承受滑座、滑枕等零部件的重量及自身重力的情况下产生弯曲变形,为降低横梁受力变形量和提高横梁静动态特性,采用两种方法对横梁进行优化设计。设计了8种横梁筋板结构及对横梁上导轨面悬臂支撑结构进行了优化设计,运用有限元分析软件对横梁进行了静力学与模态特性分析,得到横梁结构总形变位移量和前六阶振型频率。结果表明,因横梁自重引起的变形占总变形的45.1%;"井"型结构设计最优,其总形变位移量降低了8.98%,质量减轻了329kg,一阶固有频率提高了2.40%,具有良好的静动态特性;筋板结构设计的作用主要体现在减轻横梁质量上,上导轨悬臂支撑结构倾斜设计的作用主要体现在减小横梁弯曲变形上,两种方法的结合使用可有效提高横梁性能。     

高速微切削系统结构设计与动态特性分析

为了满足高精度微小型零件的加工需求,设计了一种高速微切削系统。首先提出系统总体设计方案,并对关键部件进行选型和设计;然后利用三维建模软件CATIA建立系统装配模型,利用有限元软件ANSYS Workbench对系统的关键部件——电主轴进行静、动态特性分析,获得主轴静刚度、固有频率与谐响应特性;最后对系统整体进行静力学分析和模态分析,为了避免共振现象产生,对变形较大的支撑架部分进行进行结构优化,优化后系统固有频率明显提高,达到了优化的目的。为高速微切削系统的制作奠定基础。     

基于多岛遗传算法和响应面模型的机床床身的轻量化设计

以某型号深孔钻镗床床身为研究对象,为实现床身轻量化设计要求,提出了一种将响应面模型和多岛遗传算法相结合的优化设计方法。通过对床身的静、动态特性分析,确定了以床身体积最小为优化目标,以床身最大变形、首阶固有频率为约束条件的优化模型。利用最优拉丁超立方试验设计方法在设计空间内产生样本数据点并进行数值模拟。采用最小二乘法建立了二次多项式响应面近似模型,并利用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明:在保证机床性能的情况下,床身质量减小了11.2%,实现了床身的轻量化设计。     

基于HyperWorks的进给箱体拓扑优化设计

为提高Ф630mm球面车磨床进给箱体的结构刚度,以HyperWorks-Optistruct软件为平台,建立了以结构的相对密度为设计变量,以一阶固有频率最大化为目标的拓扑优化模型,实现了移频和质量减轻的优化目标,并给出了进给箱材料的最优分布图,为改善球面车磨床的动态特性提供了理论依据。     

铣齿机有限元建模及优化设计

针对螺旋锥齿轮铣齿机结构进行了Y向静刚度实验和模态实验,且由切削实验验证了实验1阶模态频率。基于结合面法向解析刚度及模态实验结果建立了床身立柱结合面有限元仿真动力学模型,而且由实验静刚度建立了整机Y向静刚度有限元模型。鉴于铣齿机笨重,分别对床身和立柱单件进行了轻量化设计,发现在前3阶固有频率削弱小于5%的情况下,质量分别减轻了18.86%和27.4%,且对应整机模型固有频率和刚度均提高。进一步分析了结合面参数动态灵敏度,并用坐标轮换法确定了最优的结合面刚度参数,为导轨选型提供了一种实用方法。为设计类似机床提供了依据,也为更加实用的动力学建模、更加有效的筋板参数优化及结合面动态性能优化提供了依据。     

数控铣床工作台多目标优化研究

基于正交试验原理,选取工作台13个设计变量安排正交试验,根据正交试验结果,分别建立工作台质量、最大变形量和前3阶固有频率的灵敏度函数,根据灵敏度分析结果,选择5个敏感设计变量安排中心复合试验,根据中心复合试验结果,分别建立工作台质量、最大变形量和前3阶固有频率的响应面模型,利用响应面模型建立工作台多目标优化模型,借助Matlab软件遗传算法工具箱对多目标优化模型求解,优化效果显著,质量、最大变形量分别下降了2.01%和14.79%,前3阶固有频率分别提高了11.84%、12.81%和10.63%。     

多目标优化在大型加工中心轻量化设计中的应用

为保证某大型加工中心的加工精度和切削效率,以其关键部件立柱为例,提出以质量及一阶固有频率为多目标优化的机床轻量化设计方法。首先根据有限元法利用有限元分析软件ABAQUS对立柱进行动静态特性分析,根据立柱结构分析提取影响1阶固有频率与质量的关键因素。通过均匀试验设计,利用MATLAB建立目标与关键因素的多元线性回归方程并进行灵敏度分析,找出敏感性因素。运用响应面法建立敏感因素与目标的2阶响应面数学模型,进而建立以减轻质量与提高固有频率为目标的立柱优化模型,最后应用MATLAB对数学模型进行优化求解。立柱经过优化后,提高立柱固有频率的同时质量减轻13.6%。