大口径快速密闭窗口的设计及测试

针对大口径宽波段高能激光发射系统使用环境复杂、激光发射间歇时间长,晶体窗口无法满足使用要求等情况,为发射系统设计了一套快门式机械窗口。该机械窗口采用聚氯乙烯(PVC)薄板作为防尘罩,利用弹簧和密封环组成半固定式滑槽,采用步进电机驱动。利用圆形薄板的大挠度变形原理,建立了防尘罩挠曲变形量与正压风载间的非线性微分方程;以中心挠度为摄动参数用摄动法求解微分方程,获得防尘罩挠曲变形量与风压载荷间的关系,并进一步求出电机的负载扭矩。由于电机的输出扭矩是一定的,为了使防尘罩抗风载能力达到最大,利用电机负载与防尘罩挠曲变形量间的解析关系式进一步优化了防尘罩的弯曲刚度。实际测试结果显示,防尘罩挠曲变形量的求解误差不超过15%;当防尘罩弯曲厚度为0.8mm时,防尘罩可以抵御12m/s风载作用,电机负载扭矩为0.34Nm;开启与关闭的最短时间小于3s,窗口运行可靠,符合设备使用要求。     

大口径宽波段高能激光发射窗口的设计与测试

由于大口径宽波段高能激光发射系统使用环境复杂、激光发射间歇时间长,晶体窗口难于满足使用要求,本文设计了一套用于发射系统的快门式机械窗口。该机械窗口由防尘罩压紧机构和防尘罩的驱动机构两部分组成。压紧机构通过丝杠、钢丝绳和同步带等传动方式实现单电机驱动多目标同步运动,利用柔性铰链补偿安装误差。采用柔索的非线性分析法和积分原理求解了防尘罩的风压载荷与锁紧机构所需的压紧力间的解析关系,通过逆推法建立了正压风载与电机负载扭矩间的解析表达式。根据电机的矩频特性计算了机构的转速范围和防尘罩能承受的最大风载。实际测试表明,电机输出扭矩达到0.34Nm时,防尘罩可以抵御10m/s风载作用,开启与关闭的最小时间稳定在3s左右,正压风载与电机负载间表达式的计算误差不超过15%,窗口的运行可靠,符合设备使用要求。     

XHGS256龙门加工中心立柱的多目标拓扑优化

为了兼顾龙门加工中心立柱结构具有更高的静动态刚度和更轻的重量的要求,基于SIMP变密度法拓扑优化理论,结合平均频率公式对各优化目标进行折衷化处理,并利用层次分析法选定子目标权重,建立了以立柱结构的相对密度为设计变量,同时考虑最小柔度和最大频率的多目标函数,并将结构体积的百分数作为约束函数对其进行优化得到新的立柱结构方案。结果表明:改进后的立柱质量减少8.96%,最大变形降低38.63%,一阶固有频率提高6.87%,满足设计指标要求。     

2500t环轨起重机主臂架的优化设计

采用分层优化的思想,以总重量为目标函数,以臂架强度、整体刚度、局部刚度和臂端挠度为状态变量,分别用零阶方法和一阶方法对2 500t环轨起重机主臂架进行了优化设计.主臂架重量减轻了18.5%,效果显著.对比分析了两种优化方法的优缺点及适用范围,为大型桁架式臂架优化方法的选择提供了参考.     

空间遥感相机碳纤维机身结构设计

针对离轴三反相机光学系统对机身结构的要求,采用碳纤维复合材料制备关键部件,设计了合适的相机机身结构.设计的离轴三反相机采用的复合材料占整机重量的32％.机身结构为非对称形,光学系统中主、次镜间距为850 mm,反射镜接口定位精度要求间隔为0.005 mm、偏心为0.005 mm、倾斜为5″.通过有限元软件对设计结果进行分析、优化和检验,完成了机身结构的优化设计.计算结果表明,该机身结构具有较好的刚度、较轻的重量,能够满足光学设计对间隔,偏心和倾斜的要求.对总装完成的相机进行了力学环境试验和热真空试验,结果证明了该相机机身结构在力、热等环境条件下稳定性良好,其一阶谐振频率在120 Hz以上,相机调制传递函数在0.2以上,满足离轴三反空间相机各反射镜对空间位置精度和稳定性的要求.     

基于响应面分析法的龙门式折弯机轻量化设计

针对一款龙门式80000kN折弯机,为使设计的机身满足材料要求,利用有限元分析软件ANSYS Workbench15.0对其三维模型进行静力学分析。为进一步避免出现结构笨重、安全系数太大的传统问题,根据分析结果设计结构优化方案,将折弯机工作台两个侧板、顶板及两个底部支撑板进行参数化建模,基于响应面优化方法,建立数学模型,以折弯机的整体重量最小为目标函数,以折弯机的最大变形和最大应力为约束条件,将相应结构的尺寸设为优化变量,对折弯机进行轻量化分析。结果得到基于中心复合设计的30组优化设计点以及变量间的相关三维关系曲面图等,最终使折弯机整体重量减少了16748.2kg,并且其应力和变形仍满足约束条件,优化效果显著。     

多波束激光发射系统的装调

为了实现复杂结构的多波束激光之间角度匹配以及收发平行的问题,提出了共基准装调方法,将发射部分与接收部分分开装调,然后通过统一基准进行对接。针对该发射系统的波束多,波束之间角度要求严格,扩束倍率大以及发散角要求严格等特点,对发射部分的装调方法进行了研究。根据结构设计上的收发关系建立了统一的基准,即激光发射系统的底板,该底板也是与接收对接的接口。分析了扩束镜头对激光发散角以及出射方向角度的影响,并根据分析结果先对激光器进行角度调整,使用大口径长焦距平行光管与高精度多光轴标校系统,对激光器的出射光方向和发散角进行测试并调整到位,使激光器出射光的角度满足所需要的角度要求,误差在1'以内;最后与扩束镜头对接,根据扩束镜头对发散角以及激光出射方向的影响,调整扩束镜头正负透镜组之间的间距以及扩束镜头的整体位置使得激光发散角与出射角度满足所需要的角度,发散角误差在5μrad,出射角度之间的误差在5″以内。实测结果显示,各个激光出射角度之间的偏差优于5″,发散角为(0.042±0.001)mrad,满足扩束倍率以及最终发散角的要求,具备与接收系统对接的条件。该多波束激光发射系统的装调方式合理可行,装调结果满足指标要求。     

大口径宽波段激光发射通道的正压密封

针对大口径宽波段高能激光发射系统内通道的防尘除湿问题,提出了内通道正压通风密封方法。该方法利用净化后的干燥洁净空气排出原有的空气,并在发射端口形成正压气流阻挡外界空气向内通道扩散,从而达到密封防护的目的。借助计算流体力学软件Fluent对发射系统内通道的正压通风流场进行了数值模拟和分析研究,研究显示洁净气流在发射端口处产生一定的风速和压差,从而形成了内部正压抵挡通道外空气的回流。对于10.6μm的长波激光,根据压力变化估计了通道内的折射率变化在10-7量级,引起的光程差约为1μm。最后,通过实验验证了仿真结果。结果表明:监测面的速度值比仿真结果稍大,但是速度变化基本相同,而且洁净气流在监测面保持有0.64m/s的正压速度,洁净空气的相对湿度从59%降至了29%,基本达到了正压通风系统防尘除湿的密封设计要求。     

航天器整流罩结构优化设计

航天器整流罩作为飞行器的重要部件,设计时要保证其具有足够的强度、刚度和稳定性,为了提高结构效率,结构重量还要尽可能轻,这些要求增加了结构设计的难度。某航天器整流罩结构原始设计方案稳定性不满足设计要求,采用传统方法进行了改进设计,改进后结构强度和稳定性满足设计要求,但结构质量效率不高;同时采用OptiStruct优化技术对整流罩进行总体尺寸优化,给出了最优结构尺寸,相比传统改进设计方法,经过优化后的整流罩结构满足整体强度、刚度和稳定性要求,同时重量减轻15%。     

低温大口径高压轴流式止回阀研制

针对高压大口径轴流式止回阀超低温工况密封失效，特别是经过高压试验或者高压下开关动作后密封面损坏，阀门无法满足长周期稳定运行问题，设计了一种具有特殊阀内密封结构的高压轴流式止回阀。使用有限元软件对改进后的阀体结构进行强度分析校核；以相关型式试验论证，将阀门置于-196℃试验温度下，进行2 000次的阀门整机低温疲劳寿命试验，试验全过程中最大泄漏率为1 700 m L/min，远远低于标准规定上限值3 600 m L/min；经江苏LNG现场使用，结果表明通过结构优化，低温大口径高压轴流式止回阀性能完全满足LNG装置及超低温工况要求，主要性能和技术指标达到了国际上同类阀门的水平。     

防火卷帘卷轴设计与校核

防火卷帘的卷轴是传动和承载的关键部件.文中根据卷帘的传动轴结构和承受载荷情况,对防火卷帘卷轴的力学性能进行了分析,并在实际应用过程中将计算简化,满足防火卷帘卷轴设计及使用要求.     

基于响应面法的动力电池包箱体轻量化优化设计

为了满足电动汽车电池包箱体高强度、轻量化的设计要求,提出了一种基于数值优化与有限元仿真相结合的动力电池包箱体轻量化设计方法.以电池包箱体各部件的厚度为设计变量,箱体质量最小化为优化目标,三种典型路面工况下箱体的最大等效应力、最大变形量和箱体结构的第2阶约束模态频率为约束条件,建立了箱体轻量化优化数学模型.利用Box-B...     

宽幅端面密封的设计与实践

在专门测试大壁厚、大口径无缝钢管耐压级别的特殊设备--THE-1200的静水压力试验机[1]上,为了满足被测钢管在规格范围内随机变化的要求,设计了一种宽幅端面密封[注:2]成功加以应用.本文介绍了宽幅端面密封的设计和实践过程,指出了这种宽幅端面密封在使用中的优点和存在的问题,以及与其他密封方法的不同点.     

空铁Y形立柱金属结构多层轻量化设计

空铁作为新型交通方式得到了迅速发展,为实现空铁线路中Y形立柱金属结构的轻量化设计,对线路中的Y形立柱进行了参数化建模,并充分考虑其结构刚度、强度及支腿稳定性对线路安全性的影响,利用ANSYS有限元分析软件分别运用零阶优化方法与多层优化设计方法对Y形立柱金属结构进行优化设计。由优化结果可知,在满足设计要求下,与优化前相比采用零阶优化方法与多层优化设计方法的金属结构重量分别减轻了11.3%和13.8%,在支腿稳定性校核中分别降低了12.1%和24.4%,使结构更加趋于安全。综上所述,多层优化设计方法更适合对Y型立柱进行优化,基本满足降低金属结构重量,提高支腿稳定性的要求。     

基于Pro/M的大口径反射镜的变形分析及其支撑优化

针对某大型激光装置中使用数量众多的大口径反射镜结构,运用Pro/E软件中的Mechanica研究其受重力影响的变形,并对反射镜的支撑结构参数进行灵敏度分析和优化计算,寻找使得反射镜片变形最小的结构参数,为大口径反射镜组件结构的设计提供依据.     

甘蔗收获机械台架数字样机的结构优化设计研究

对甘蔗收割机台架机构虚拟样机的运动仿真能使数字样机尽量模拟实际状态,观察模型是否正确表达设计要求;对样机台架结构进行了有限元分析并采用一阶方法进行优化,可以预估凭经验设计结构的最危险点,对结构进行改造和优化,保证结构综合应力在材料许用应力范围内使整体重量下降约7%,材料分配更合理,大大缩短了研制周期,降低了设计成本.对虚拟样机进行仿真和优化,可为数字样机的创新设计提供一种新的思路和应用依据.     

轴的横向振动动态特性设计

针对分级变速的传动轴,提出一种动态设计方法.采用有限元模型建立了轴的横向振动方程.以模态频率对结构尺寸的灵敏度为依据,对影响动态性能敏感的参数进行修改,使轴的前几阶或某几阶模态频率恰好处于预先指定的一组期望值上,得到多种修改方案.为了兼顾结构工艺性的要求,采用了优化方法,获得满足动态性能的最小修改量.该方法也可以用于其...     

基于有限元法的结构优化与灵敏度分析

探讨了用有限元法进行结构优化与灵敏度分析的一般思路 ;介绍了优化与灵敏度分析的基本理论及利用 I-DEAS软件进行优化的过程。以某轻型客车的车架为例 ,选弯曲刚度、扭转刚度和一阶扭转频率为性能约束 ,根据灵敏度分析结果 ,按高刚度、轻质量的要求 ,选择出有效的设计变量进行了重量最轻或性能最优的结构优化 ,并得出相应的结论。     

激光显示中声光调制器的研究

激光显示系统中常采用高速宽带声光调制器调制激光光强,使衍射光束的光强随视频信号变化,系统要求调制器具有很快的响应速度和很高的衍射效率。采用熔石英作为声光介质,铌酸锂作为换能器,设计并制作出工作中心频率为180MHz,调制频率为32MHz,衍射效率达75%的高速宽带声光调制器。并设计了一套使激光光源和声光调制器相匹配的光学系统,在优化激光束聚焦的基础上提高调制速度。设计的高速声光调制器基本满足了激光显示的要求。     

空间激光终端二维转台U型架结构优化设计

空间激光终端二维转台是建立星地/星间高精度激光通信链的关键部件,其U型架结构的性能直接影响转台的稳定性和测量精度。为了适应发射阶段载荷过载及满足空间环境的严苛要求,文中提出了一种基于铝基碳化硅材料的U型架结构优化设计方案。该方案综合考虑材料特性和结构布局,对U型架的11种典型尺寸参数进行了分析和优化,实现了结构的轻量化和高刚度。研究发现,U型架支撑端厚度和侧肋斜率是影响其一阶基频和重量的关键因素。仿真结果表明,优化后的U型架质量减轻了25.03%,一阶基频提高了85.48 Hz。实物U型架随二维转台的力学试验验证表明,二维转台的整体性能和可靠性得到了有效提升。