直角坐标机器人悬臂结构优化设计与分析

提出了一种针对工程实际问题的拓扑优化设计方法,对直角坐标机器人悬臂结构进行了拓扑优化设计和力学性能分析。先对整机进行了有限元分析,找出了影响整机精度的关键结构即Y轴悬臂梁。后采用变密度法对悬臂梁横截面进行了拓扑优化,重构筋肋分布,根据优化后的截面形状重建三维模型并进行了力学性能有限元分析。优化前后对比分析结果表明:优化后的悬臂结构的变形减小,最大应力明显降低,结构的质量也显著减轻。该方法对以后机械结构分析和拓扑优化设计具有一定的指导意义。     

基于K邻近算法的连续体结构拓扑优化设计

以平面连续体为研究对象,建立了结构拓扑优化的数学模型,提出了新的结构优化方法.该方法利用K邻近理论进行结构优化的运算,给出了运算公式,定义了删除率以及进化率,并给出了计算实例,得到的结构优化结果与其他结构优化方法运算结果相近.结果表明K邻近理论结构优化方法是可行的.     

基于拓扑优化的深孔钻床主轴箱的结构重构

为有效提高深孔钻床关键件的动态性能并减轻其质量,运用有限元分析和拓扑优化相结合的方法,对Z8016深孔钻床主轴箱进行了结构优化设计.利用Pro/E对Z8016主轴箱初始结构进行了三维建模并导入HyperMesh进行模态分析;根据变密度法的基本思想,建立以箱体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函数、以体积分数(质量)为约束条件的拓扑优化模型,并以HyperWorks/OptiStruct软件为工具,对其进行拓扑优化,得到了主轴箱材料的最优分布图;根据优化方案对初始结构进行了重构设计.研究结果表明:改进后的主轴箱结构,一阶固有频率提高了6.71%,质量减少了6.85%,动态特性满足设计要求,从而为深孔加工机床中其他关键部件的结构优化提供了参考.     

液压机上横梁有限元分析及结构优化

以某型液压机上横梁为对象,利用分析软件建立上横梁的有限元模型并进行静力分析计算.在上横梁强度和刚度校核的基础上,利用分析软件结构优化模块对上横梁分别进行拓扑优化和尺寸优化,实现结构优化,减轻上横梁重量.     

开式压力机机身瞬态响应分析与优化

以某压力机机身为分析对象,运用有限元分析软件、采用FULL法对其进行瞬态计算,并对结果进行分析,获得该类机器在动态力作用下的工作特性.运用有限元分析软件、采用退化原理对机身进行拓扑优化计算,根据动态计算结果和拓扑优化分析结果对结构进行优化设计.仿真结果表明:改进后的结构在保证机身刚度的基础上质量减轻5%且应力分布更均匀.     

面向增材制造的火箭直属件轻量化设计研究

由于金属增材制造技术的飞速发展,为复杂结构的制造和设计提供了条件,而拓扑优化作为一种先进的计算方法为轻量化设计提供了新的思路,能有效降低结构重量。为了降低火箭消极质量,在保证整体性能不受影响的条件下,对结构部组件进行轻量化设计很有必要。本文以火箭发动机支架为研究对象,面向增材制造,以实体变密度法为理论指导,以结构柔度最小化和固有频率最优化对模型进行多目标拓扑优化,经多个方案迭代,最终以重建模型质量降低34%达到轻量化设计目标。该优化方法对火箭部组件结构设计起到一定参考作用。     

某型号内燃机活塞结构拓扑优化及实验验证

提出了基于拓扑优化的活塞结构设计方法,建立了以材料密度为设计变量、以位移和最大等效应力为约束条件、以质量最轻为优化目标的活塞结构拓扑优化模型。提出了基于有限元的敏度分析方法,并从应力、应变等方面对活塞进行优化前后的对比。结果表明,优化后的活塞质量减轻了6.2%,活塞的热机耦合应力最大值下降了3.45%,但是对应的位移几乎没有发生变化,最后通过实验验证了该模型的合理性,具有一定的工程实用价值。     

深孔钻镗床床身的有限元分析及拓扑优化

为了提高深孔镗床床身的综合力学性能,以T2120深孔钻镗床为研究对象,采用三维软件Pro/E建立床身结构实体模型,然后将实体模型导入到ANSYS中对床身进行模态分析计算出床身固有频率和振型.用ANSYS软件拓扑优化模块对床身进行拓扑优化分析,根据优化结果对床身进行改进设计.改进后的床身固有频率有明显提高,质量减少了27.5％,达到了拓扑优化减重和材料最佳分配的目标.     

基于ANSYS的拆楼机结构设计及优化

建立拆楼机械臂的模型,确定机械臂的危险工况,并针对此工况进行静力学分析。根据分析结果,以轻量化为目标对机械臂进行拓扑优化;基于拓扑优化结果,结合实际制造工艺,对机械臂结构进行优化。优化结果表明:机械臂的质量减少了31.9%;与此同时,机械臂的强度刚度均满足要求,为拆楼机的研发提供了参考。     

基于协同仿真技术的铁道货车零件铸改锻双目标优化设计方法

利用有限元分析软件ANSYS对产品结构进行力学分析,提取应力数据并根据失效理论计算出的安全系数作为产品结构的力学优化判据;利用金属塑性成形模拟软件DEFORM对产品锻造成形过程进行仿真,预测锻件缺陷,分析成形质量及其影响因素,获取产品结构的工艺性优化判据。以高安全系数和高成形质量为优化目标,综合考虑结构设计对产品力学性能和成形工艺性的影响,对产品进行综合优化设计。     

SSWZ330重型联轴器的渐进结构拓扑优化设计

针对联轴器设计方法传统,导致该部件寿命低、构成部件的各个零件寿命差异大等问题,利用HyperWorks FEM设计分析软件,采用渐进结构拓扑优化方法,将“去除-恢复”决策和单元灵敏度算法相结合,对SSWZ330重型联轴器进行了渐进结构拓扑优化设计。优化过程中采用基于单元“去除-恢复”决策,通过计算单元应力灵敏度以及迭代灵敏度,依据给定结构的目标体积、体积进化率和滤波半径,确定删除或保留的单元,解决了传统结构设计中多约束优化问题,实现了SSWZ330重型联轴器的渐进结构拓扑优化设计。优化后的法兰叉架和套头体积减少了83%,实现了HyperWorks软件在机械部件渐进结构拓扑优化设计领域的实际应用。     

基于变密度法的压铸机模板拓扑优化设计

针对当前压铸机合模机构中模板质量大、成本高的问题，结合工程实际应用情况，采用基于变密度法的结构拓扑优化和尺寸优化联合设计方案，应用Optisruct软件分别对定模板、尾板和动模板进行了优化，建立了相应的拓扑优化设计模型，定义了优化目标函数和约束函数，研究了约束体积分数和惩罚因子对拓扑优化结果的影响。通过与优化前的模板结构进行比较，3大模板的总质量由74.68 t减少为66.35 t,减重率达11.5%,且应力分布更加均匀。     

立式铣削加工中心立柱结构拓扑优化设计

基于连续体ICM拓扑优化方法,结合CAD/CAE系统,提出以模态频率为目标的结构拓扑优化模型,运用该模型完成XH715立式铣削加工中心立柱结构拓扑优化设计,其动静态性能有较大的改善,为后续的整机优化和详细设计提供了理论指导和设计原型.     

横梁筋板的结构仿生设计及优化

结合Workbench有限元分析软件,基于对乌龟壳的结构仿生,设计了一种拱形与纵横筋板相结合的新型横梁筋板结构。通过无筋板横梁的应力分布云图和对乌龟壳的结构仿生确定横梁筋板结构;通过拓扑优化技术去除横梁结构的冗余质量;筋板结构确定后,通过优化技术,以横梁的形变量、质量及固有频率作为性能指标,对横梁的关键尺寸进行灵敏度分析,以达到优化横梁的目的。优化后的新型筋板结构横梁与原型横梁相比在性能有了明显的提升。     

基于板料成形数值模拟的覆盖件模具结构优化

针对汽车覆盖件模具,提出一种基于板料成形模拟的模具结构拓扑优化方法,得到了新型的模具结构。先通过板料成形数值模拟得到板料对模具的作用力,经格式转换后,将模面节点力导入施加到模具的三维有限元模型上进行结构拓扑优化。运用该方法优化某后备门外板模具结构,经对比分析发现,优化后二次设计的模具结构相对于传统结构具有更高的刚度和更轻的质量,优于传统结构。     

基于疲劳分析的平衡肘结构轻量化

平衡肘受力情况复杂而且多变。利用Adams对行动部分进行虚拟仿真,结合实体计算可以获取平衡肘的真实受力载荷约为35 kN。根据疲劳理论分析,可以得到平衡肘初始结构的使用寿命在13万km以上。为了实现平衡肘的轻量化,对其结构进行拓扑优化,采用的方式是在平衡肘连接扭杆的端面位置进行循环沟槽设计等。经研究表明:在同等受力情况下,平衡肘的质量减轻了5 kg,且保证了平衡肘的使用寿命。结构拓扑优化降低了钛合金材料的损耗,节约了开发成本。     

考虑模具偏载的高强度钢板冲压模具拓扑优化设计

高强度钢板在车身上的广泛应用使得冲压模具受力恶劣，在模具设计时往往会凭借经验人为放大安全系数以保证模具安全，造成模具整体质量增加，间接造成其制造成本和使用成本上升。为了解决上述问题，以LS—DYNA和Hyperworks作为研究平台，提出了一种以降低质量为目的的模具结构优化方法，实现阶梯形底面盒形件拉深模具的压边圈总质量下降289／6，并通过物理试验对优化结果进行了验证。研究表明，拓扑优化技术是减轻冲压模具质量的有效方法。     

基于PnP-ADMM的离散体结构拓扑优化

基于PnP-ADMM算法框架,提出了一种基于PnP-ADMM框架的离散变拓扑优化改进算法,旨在求解柔度更小的最优解。通过将PnP-ADMM框架推导目标函数和各约束的对应离散子变量的迭代式,采用敏度过滤的方法消除棋盘格,同时,应用移动限制策略逼近目标约束下的最优结构布局。通过MBB梁和悬臂梁算例实验,该方法计算得到的结构柔度与DVTOPCRA算法相比有明显下降,验证了该方法的可行性和有效性,为求解离散体结构最小化柔度提供了一种新的方法。     

VHT800立式车铣加工中心立柱结构静动态优化及轻量化设计

研究了VHT800立式车铣加工中心立柱结构的静动态优化及轻量化设计方法,解决了企业经验设计结构存在的静、动态性能不足以及结构过于笨重的问题.首先基于机床实际典型工况下的立柱载荷及边界条件,运用拓扑优化技术建立了体积约束下的立柱结构多工况静态性能和动态性能多目标拓扑优化概念模型;然后对概念模型进行结构刚度设计及工艺设计.最终为企业提供了新的立柱结构方案,该方案的结构刚度和一阶固有频率比经验设计结构分别提高了13.6%和17.1%,同时质量减轻了9.7%,表明该设计方法能够有效提高机床立柱结构静、动态性能并实现结构轻量化设计.     

基于拓扑优化方法重载变速箱体轻量化设计

传统变速箱箱体生产遵循保守原则,质量分配不均,自身重量过大。为获得结构合理,质量低的变速箱箱体,以某装载机变速箱箱体为研究对象,采用理论分析计算与仿真相结合的方式对变速箱箱体进行了静力学分析,获得了箱体在最大载荷工况下应力及变形;运用Ansys Workbench软件对箱体进行了模态分析,获得了箱体前10阶的固有频率及振型。基于分析结果采用变密度法,对箱体进行以体积最小为优化目标,以形变和应力为约束条件的结构拓扑优化,在此基础上根据优化后的云图对其进行相对应结构设计。优化后变速箱箱体质量减少11.68%,最大变形量降低20.2%。分析结果表明,优化后的变速箱箱体综合性能得到提高,实现了轻量化设计和提高可靠性的双重目的。