光伏板清扫机器人支撑架轻量化优化设计

以光伏板清扫机器人支撑架为例提出了1种基于拓扑优化与响应面法相结合的轻量化设计方法。对支撑架受力进行有限元分析并对模型拓扑优化;然后利用Box-Behnken设计实验得到7个设计变量的数值模拟样点,通过响应面方法进行2次回归拟合得到响应面模型;最后,利用非支配多目标遗传算法对近似模型进行了迭代优化计算,得到Pareto最优解集。结果表明:轻量化优化后的支撑架的质量减轻了24.6%,应力下降了1.007 MPa。     

基于响应面法的液压机械臂结构优化

为了减轻液压机械臂的自重，降低动力系统能耗，提高控制响应速度，文中采用基于响应面法的结构优化设计方法对某型机械臂进行轻量化设计研究。首先，选取机械臂板材厚度为待优化参数并使用拉丁超立方法进行试验设计抽样；其次，采用多项式拟合方法建立板材厚度和主臂最大米塞斯应力之间的响应面，代替有限元模型提高计算效率；最后，以主臂米塞斯应力为约束边界，以主臂轻量化为优化目标，采用蒙特卡洛法求解优化问题，得到最佳板材厚度。将优化后的参数输入到有限元模型中，验证优化结果的正确性。优化后，主臂总质量降低28%，达到了轻量化设计的目标。也为类似结构的优化设计，提供了良好工程案例。     

基于响应面法的挖掘机三油缸结构动臂轻量化设计

考虑到三油缸结构动臂的结构特殊性,以及传统经验方法在结构设计上的保守性因素,提出了基于响应面法的变厚度轻量化设计方法,并搭建了基于多学科优化软件Isight、有限元软件Nastran以及利用Python语言二次开发的集成优化环境。基于板壳理论与测试数据建立了三油缸结构动臂危险工况的有限元参数化模型,并以其主要板厚尺寸为初始设计变量,以结构强度、刚度及重量为模型响应,结合最优拉丁超立方设计法对初始变量进行了灵敏度分析,使用筛选后的设计变量拟合响应面模型(RSM);以结构强度和刚度为约束条件,动臂质量最小为目标函数,采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明,在保证结构性能的前提下,该方法轻量化设计后的动臂减重14.7%,优化效率较有限元模型提高84%左右,优化效果显著且大幅度缩短了设计周期。     

基于多目标优化的砂轮杆结构轻量化设计研究

为了得到大长径比砂轮杆合理的结构及支撑方式，保证砂轮杆满足刚度要求，通过建立大深径比孔磨削用砂轮杆的三维参数化模型，用有限元方法分析了砂轮杆的静力变形和约束模态，采用最佳空间填充试验设计（optimal space-filling design）方法构建了砂轮杆各设计变量与优化目标的二阶响应面模型，采用NSGA-Ⅱ算法对砂轮杆进行了多目标优化。经过轻量化优化设计及仿真比较，得到一种大长径比砂轮杆及支撑的合理化结构，轻量化率达到10.3%。分析结果表明：砂轮杆质量、刚度及模态均满足工程要求。     

基于振动特性的多学科多目标摩托车优化

以摩托车强度、刚度、轻量化为约束条件,以响应面法为基础建立多学科多目标优化方案.运用Hypermesh建立有限元模型,通过Radioss进行计算,并以Hyperstudy为优化平台.采用正交实验设计对优化变量进行灵敏度分析,运用拉丁方实验设计获取采样数据点,利用移动最小二乘法构建响应面模型,结合多学科、多目标优化设计方法进行结构优化,实现提高车架结构特性和摩托车动态特性的目标.     

基于响应面法的升降机滚筒线支架轻量化设计

为了降低重量,减少成本,提高市场竞争力,基于响应面法对某型具有弯曲导轨的连续式升降机进料滚筒线支架进行了轻量化设计。采用中心复合试验设计方法进行样本点的采集,利用有限元数值模拟技术获取样本点的响应值。根据所得数据,构建了支架质量和最大等效应力的二阶多项式响应面模型,并进行了精度检验,验证了所构建响应面模型的精确性。以支架质量为目标,强度为约束,基于所构建的响应面模型,建立了支架轻量化设计数学模型,采用序列二次规划算法进行求解,并对优化结果进行了仿真验证。结果表明,优化后的支架强度满足要求,质量减少了11.7kg,减重率达42.5%,轻量化效果显著。     

响应面法的温差发电器优化设计

为提高温差发电器的发电效率,同时保证整机轻量化,提出了以发电器结构参数为设计变量,以质量、排气背压和发电片两侧温度差为目标函数的整机多目标优化设计方案。首先利用中心复合设计法、有限元法分别进行设计点的选取与计算。其次利用响应面法构建设计变量与质量、温差、排气背压三个响应量的响应面模型,并进行了灵敏度分析。通过多目标遗传优化算法进行基于响应面模型的多目标优化,优化后温差发电器的发电效率提高了7.3%。最后对优化结果进行了可靠性验证。     

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%。     

集成参数化有限元与响应面的矿用螺旋输送机带式螺旋轴轻量化设计

针对工程机械优化目标函数隐性化和求解效率低的问题,文中提出了一种集成参数化有限元与响应面的优化设计方法,并以矿用螺旋输送机带式螺旋轴轻量化设计为例,说明了该方法的思路与实现过程。为提高有限元建模效率,开发了基于APDL的带式螺旋轴参数化有限元模型,实现了不同尺寸带式螺旋轴的快速有限元分析。通过析因试验筛选出对带式螺旋轴受力分布和疲劳寿命影响显著的设计变量,并以结构强度和疲劳寿命为约束建立带式螺旋轴轻量化设计模型。采用优化的拉丁超立方采样并结合有限元仿真结果建立响应面模型,来拟合设计变量与目标函数之间的隐式关系,最后通过Minitab响应优化器进行寻优求解,实现带式螺旋轴减重15.4%。求解及验证结果表明：所提出的方法不仅轻量化效果明显,而且可以在保证计算精度前提下缩短设计周期,提高整体优化效率。     

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。     

面向约束优化的改进响应面法在车身轻量化设计中的应用

轿车车身轻量化设计是一个多约束的复杂系统优化问题,且必须满足各项车身结构性能,其中碰撞安全性是先决条件.实际中普遍采用试验设计和响应面法相结合的手段开展轻量化研究.针对传统响应面法拟合约束函数易引起优化解落在非可行域内的缺陷,提出一种面向不等式约束函数的改进响应面法,使近似约束边界分布在可行域中,得到能够满足设计约束的优化解,数值算例验证了改进响应面法在处理约束优化问题中具有比传统响应面法更为明显的优势.将其应用到车身轻量化设计中,结果表明,基于本研究提出的改进响应面法的轻量化方案优于传统响应面法,整车耐撞性能得到提高的同时实现车身前部结构减重21.4%,为开展车身轻量化设计研究提供可借鉴的方法.     

轨距调整器夹爪轻量化优化设计

通过对无砟轨道轨距施工流程进行研究与分析,设计了一款用于无砟轨道的轨距调整器,并以轨距调整器上的夹爪为对象提出了一种基于响应面法与非支配排序遗传算法相结合的轻量化优化设计方法.建立夹爪三维模型,并对其进行有限元分析;然后利用Design-Expert软件设计试验方案,建立夹爪设计变量与最大等效应力、质量的二阶响应面模型;最后,利用非支配排序遗传算法对响应面模型进行迭代优化,得到Pareto最优解集.经结果显示,优化后的夹爪质量减轻了9.6％,最大等效应力减小了11.85 MPa,达到了轻量化的目的.     

面向轻量化的重型卡车板簧压板优化设计

根据企业对板簧压板进行更换原材料QT500-10为ZG650-830的要求,为降低成本,需对其进行轻量化设计。采用Ansys Workbench建立了板簧压板的参数化有限元模型,以其内腔相关参数为设计变量,通过实验设计生成设计参数样本空间,经有限元求解得到样本点的响应面,同时通过对设计变量的灵敏度分析,确定结构参数优化方向。采用乘除法给出多目标优化的数学模型,利用Workbench进行尺寸优化设计,得到板簧压板的一次轻量化模型;然后对一次轻量化模型进一步进行拓扑优化,得到其最终轻量化模型。研究表明,轻量化后的板簧压板满足强度与刚度要求,结构安全性能提高,与原结构相比减重比达26.78%。     

LNG车载气瓶支架的轻量化设计

以某半挂车储气瓶支架作为研究对象,使用有限元仿真软件对其开展了刚度及强度计算,并根据计算结果运用变密度法对支架结构进行了拓扑优化,最终根据拓扑最佳优化结果建立了新的支架模型并二次分析验证其有效性。在此基础上,以各杆件壁厚作为设计变量,以最小质量、强度、刚度为目标条件,运用响应面法筛选出支架各杆最优厚度组合。优化后的模型相比原模型最大应力、最大变形量及质量都有所减少,表明拓扑优化结合尺寸优化组合是一种非常有效的轻量化优化方法。     

振动式分选机的设计与响应面优化

针对废铅酸蓄电池再利用的预处理过程,提出具有实际意义的振动式分选机的优化设计方法。首先,计算相关参数获得初始模型,借助ANSYS Workbench进行有限元分析,使其初步符合设计要求。其次,以减小质量、提高强度和提高第三阶固有频率为优化目标,选取关键尺寸参数为设计变量,通过中心复合试验设计方法选取合适的有限元分析样本点,利用最小二乘法拟合含交叉项的二次多项式,获得目标与变量的近似响应面数学模式,再运用遗传算法进行优化获得全局最优解。最后,对比有限元计算值与响应面计算值验证响应面法可行性。结果表明:减少质量5.9%,降低最大等效应力46.9%,提高第三阶固有频率30.1%,降低了优化计算量。     

薄壁碰撞吸能部件的可适应响应面法轻量优化分析

薄壁部件在碰撞过程中发生塑性变形,从而吸能以保护其它部件的安全,在此基础上轻量化也是一个值得考虑的研究方向。采用有限元分析方法进行结构分析,并通过试验设计空间选择少量样本获得响应面模型,响应面法是数学方法和统计方法结合的产物,用这种方法可以寻找考虑了输入变量值和目标函数之后的响应最佳值。最后调用DYNA求解器进行批处理,取得优化的满足多约束条件的结果数据,碰撞时间得到延长,吸能大小变化很小,优化的结果是满足碰撞安全的,同时达到了轻量化的目的。     

基于响应面法的多材料优化模型与应用

基于二阶响应面法,建立高效多材料、多目标优化模型,研究降低某款汽车座椅骨架总质量的各零部件材料和厚度的最优设计方案。利用多目标优化方法定义了优化问题,采用最优拉丁方试验设计方法在样本空间进行采样,同时为了提高优化求解效率,采用二阶响应面近似模型拟合设计变量与响应之间的关系,并利用NSGA-Ⅱ算法对优化问题进行求解。应用中,以减轻座椅骨架总质量和提升一阶模态为优化目标,定义各零部件的材料类型及厚度为设计变量,得出材料和厚度的最优设计方案,并依据相应国标对优化方案进行校验。结果表明,在满足各项国标的前提下,该方法准确有效,在提升一阶模态的同时,实现了对座椅骨架的轻量化设计。     

一种新型起重机吊臂的轻量化设计与研究

首先提出一种新型类椭圆吊臂,以有限元分析软件ANSYS Workbench协同仿真平台为工具,利用其DM(几何建模)、Mechanica(l结构有限元分析)及DX(优化设计)三大模块之间无缝接口,完成了吊臂的参数化建模、结构分析和轻量化设计。针对优化过程中设计变量非线性程度高的特点,利用DX模块,将基于神经网络的响应面法与MOGA(多目标遗传算法)相结合,对吊臂结构进行了优化,有效地降低了吊臂的重量。结果表明该方法合理可行,为今后包括大型起重机在内的相关工程机械设计提供了参考方法。     

基于ANSYS的梳齿塔库提升平台结构优化设计

根据梳齿塔库提升平台的需求,建立三维实体模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对提升平台进行静力学分析,分析结果显示其强度和刚度均满足设计指标要求。基于建立的提升平台模型,以梳齿结构为优化对象,构建Kriging响应面模型,运用多目标遗传算法获得Pare to前沿解集,进而得到优化的梳齿结构并进行偏载工况验证。验证结果表明,有限元仿真分析、响应面模型和多目标优化算法的结合应用,能够保证提升平台在满足强度和刚度的情况,快速确定关键受力构件的合理结构尺寸,实现提升平台的轻量化设计,降低制造成本。     

基于权重法的空调支架优化设计

为研究机械结构的轻量化设计,提出零件结构优化的权重法,即几何模型的建立、有限元模型的分析、权重法概念构型、基于权重法的去除部分四部分构成。以空调支架为优化对象,分别以权重法和多目标优化设计为优化方法,对其进行轻量化研究。权重法对支架进行整体结构优化,对其传递效率差的材料进行去除。多目标优化为输出参数随输入参数而变化的响应,在目标驱动优化下得到优化的输入参数组合。对比两种优化方法的结果,基于权重法的空调支架优化结果比较合理。优化后空调支架的质量减少13.83%,最大应力基本无变化,在满足使用条件下,达到轻量化的目的。验证了权重法优化的合理性,为机械结构的轻量化提供有效方法。