吊管机翻车保护结构的有限元分析与试验研究

为了设计与改进吊管机的翻车保护结构（ROPS）,利用ANSYS有限元软件对设计的ROPS进行有限元分析,并对其样机进行加载试验。首先介绍了ROPS的结构类型并优选了适合该机的双柱型式,然后建立了双柱式ROPS的有限元模型,进行了结构性能仿真分析;并依据ISO3471：2008的相关要求进行了具有代表性的侧向加载试验,以检验ROPS的受力变形和承载能力等情况,对比分析了试验结果与有限元结果的偏差及其产生原因,最后提出了针对该类ROPS的改进措施,以期总结出类似ROPS的有限元计算和样机试验的基本经验。     

某宽体矿用自卸车驾驶室ROPS结构仿真分析、改进及验证

在正向设计开发某宽体自卸车驾驶室的过程中,为了在保持曲面造型的基础上满足提高安全性、缩短设计周期以及降低设计成本的要求,首先,通过CAE有限元仿真对其初始ROPS结构进行各向加载力及加载能量分析,找出相关薄弱点进行有针对性地优化加强。其次,通过CAE仿真分析确认优化的有效性,加强后的ROPS结构很好地满足了ROPS标准对各向加载的安全要求。最后,通过实验室台架试验验证了该车型驾驶室ROPS结构的安全性和可靠性,也很好地验证了CAE仿真分析的有效性。     

重型矿用自卸车油气悬架参数优化

讨论了某360吨矿用自卸车单气室油气悬架的优化设计。参考传统的车辆动力学模型,考虑了轮胎阻尼和油气悬架非线性特征,建立了更符合工程实际的矿用自卸车五自由度数学模型。以随机输入和脉冲输入为加载条件,构建了随机输入条件下车身垂向加速度均方根值为目标函数的优化模型。分析了前、后油气悬架刚度和阻尼性能对车身和人体振动响应的主要影响。最后,采用遗传算法对油气悬架主要参数进行了优化设计。优化结果表明：车身垂直加速度均方根值下降25.6%,满足标准ISO2631对两种路面输入的平顺性要求。     

液压挖掘机斗杆结构的拓扑优化设计

为了提高斗杆的刚度并减小其质量,以BD85W型液压挖掘机的斗杆为例,应用变密度拓扑优化方法,以刚度最大为目标,以体积分数为约束,对斗杆结构进行优化设计,得到了液压挖掘机斗杆的新结构.斗杆的新旧结构对比表明:斗杆新结构体积减小18.22%,刚度增大6.58%,达到了预期的刚度要求.拓扑优化方法有利于提高产品的系列化程度和设计水平,能为挖掘机斗杆的结构分析和优化设计提供参考.     

百吨级工程车辆FOPS落锤冲击的动态仿真

应用动态显式有限元方法对百吨级工程车辆FOPS受落锤冲击整个过程的动态响应进行模拟研究。以某170吨电动轮矿用自卸车FOPS为例,建立了FOPS及落锤的有限元模型,讨论了边界条件及载荷的施加方法。分析了落锤冲击FOPS的能量转换规律、冲击力和FOPS冲击变形的规律,以及顶板厚度、落锤质量对FOPS变形量的影响。结果表明: FOPS构件在落锤第一次冲击时产生塑性变形所吸收的冲击能量为10343J,占总能量的88.6%,FOPS最大变形未侵入DLV,满足国际标准的要求。顶板厚度对加载中心的变形量影响很大,顶板越厚,变形量越小,当顶板厚度小于2.4mm时,FOPS不能满足要求, 落锤质量对变形量影响较小     

汽车座椅骨架构件布局设计方法

传统的汽车座椅骨架构件布局依靠经验设计,不仅设计效率低,而且得不到性价比最优的结构.以某轿车后排座椅板管结构骨架为研究对象,基于结构拓扑优化设计技术,提出了座椅骨架构件布局设计方法.首先,根据骨架外观形状及尺寸要求,确定设计区域,并根据实际的安全带加载工况,建立设计模型;然后,以结构静刚度最大为优化目标,采用变密度法对结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果,提出2种不同的布局方案;最后,根据有限元分析结果确定最终的设计方案,并对优化设计结果进行行李箱后撞的安全性分析.研究结果表明,在骨架质量下降1.92%的情况下,整体静态刚度提高19.0%,并满足动态碰撞的安全性要求.采用所提出的设计方法,可以得到最优座椅骨架构件布局结构.     

基于等效静载荷和模态跟踪的结构拓扑优化

为实现结构动态多目标下的拓扑优化设计,以特定模态固有频率最大化和动态柔顺度最小化加权函数为目标,提出动力特性和动力响应综合目标的渐进结构拓扑优化模型。基于等效静载荷原理,将结构的动刚度拓扑优化设计问题转换为多载荷工况静态刚度拓扑优化设计问题。基于模态跟踪技术,保证结构指定模态在渐进优化过程中的一致性。构建归一化目标函数避免不同性质目标函数的量纲与量级差异,融和渐进结构优化方法构造动态多目标下的连续体渐进结构拓扑优化算法。数值算例结果表明:所提出的动态多目标渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了渐进结构优化方法在动力学拓扑优化设计的应用领域。     

低噪声圆锯片动态拓扑优化设计研究

为了降低金刚石圆锯片锯切噪声,提出一种适用于多约束条件下的圆锯片减振降噪动态拓扑优化设计方法。基于混合元胞自动机算法构建了低噪声圆锯片动态拓扑优化模型,以锯片减振降噪为设计目标,以锯切过程的锯切力、位移载荷响应为多约束条件,对优化模型进行计算分析,得到了满足刚度要求的最优开槽圆锯片,降低噪声5.1 dB。依据优化结果制备了开槽锯片,通过锯切实验,验证了优化结果的正确性。该方法为低噪声圆锯片的动态拓扑优化设计提供了新思路。     

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。     

弹射作动单元接口刚度影响分析

针对弹射作动单元接口刚度受多种因素影响,优化设计迭代慢的问题,基于Workbench仿真平台,应用有限元仿真技术,构建弹射作动单元接口刚度的数值模型,并应用理论力学建立俯仰刚度的数学模型,通过该数学模型评估数值模型的置信度,发现该数值模型具有较好的精度。使用该数值模型研究静态载荷、弹射载荷、安装板厚度和刚度调整板移动距离对弹射作动单元接口刚度的影响。仿真结果表明：安装板厚度在范围10～15 mm内,垂向刚度和俯仰刚度随着刚度调整板移动距离的增大,整体呈减小趋势。在刚度调整板移动距离一定时,垂向刚度和俯仰刚度随着厚度的增大而增大。与静态载荷条件下的仿真结果相比,弹射载荷对安装板垂向位移、俯仰位移和俯仰刚度的影响重大,对垂向刚度也有一定影响,但其影响较小。该研究结果可为弹射作动单元接口刚度的设计提供理论基础。     

伺服机械压力机机身结构优化设计分析

目的 针对当前伺服机械压力机机身质量与结构分配不合理、刚度不足的问题,以6 000 kN闭式伺服机械压力机机身为研究对象,对该闭式伺服机械压力机机身进行重新设计,以实现提高机身刚度和轻量化的目的。方法 首先进行机身静力学分析,确定拓扑优化空间,获得压力机机身优化分析边界条件;然后采用变密度法对压力机机身进行拓扑优化分析,选择合适的密度阈值,获得机身的拓扑优化结构。为了便于加工制造,减少制造成本,基于该优化结构并考虑可制造性重新设计机身结构。最后,通过有限元仿真分析和机身刚度测试试验,对比优化前后机身的刚度。结果 优化后的伺服机械压力机机身质量减轻了10.9%,一阶模态频率提高了3.74%,机身刚度提高了约28%。结论 通过对伺服机械压力机机身结构进行优化设计,解决了高刚度机身设计的工程问题,为伺服机械压力机生产制造提供了一定的理论和技术支撑。     

Crushing analysis and multi-objective optimization design for bionic thin-walled structure

Thin-walled structure has gained increasing attention and been widely used in the field of mechanical engineering due to their extraordinary energy absorption capacity and light weight. In this paper, we introduced a new energy absorbed structure named as bionic thin-walled structure (BTS) based on the structural characteristics of horsetails. In this study, six kinds of BTSs with different cross-sectional configurations under lateral loading conditions were investigated using nonlinear finite element method through LS-DYNA. According to the numerical results, it can be found that the cell number, inner wall diameter and wall thickness of the BTS had significant effect on the crashworthiness of the structure. In order to obtain the optimal design among the six kinds of BTSs, the six BTSs were optimized using a metamodel-based multi-objective optimization method which was developed by employing polynomial regression (PR) metamodel and multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm. In the optimization process, we aimed to achieve maximum value of specific energy absorption (SEA) and minimum value of maximum impact force (MIF). Meanwhile, we also optimized the traditional thin-walled structures, i.e., the circular and square tubes. Based on the comparison of the Pareto fronts obtained by the multi-objective optimizations, we found that the crashworthiness of the BTSs was better than that of the circular and square tubes and the best BTS among the six kinds of BTSs was different when the limit of MIF was different. And, the optimal designs of the BTSs were found to have excellent energy absorption capacity under lateral impact and could be used in the future vehicle body.     

机械基础结构多目标拓扑优化设计方法

机械的基础结构在保证具有足够的刚度、强度和稳定性的条件下,经济性也必须要好,因此机械基础结构常采用内部布置有加筋板的箱体结构。以某机械基础结构为例,分别用基于经验设计的内部筋板布置方法和多目标拓扑优化方法进行优化设计,得到了2 种设计方案;比较了2 种方案的动静态力学性能。结果表明,多目标拓扑优化设计的基础结构比一般经验设计的结构,刚度有所提高,而结构质量减小11. 21%,一阶固有频率提高25. 07%。     

Design of dissipative multimaterial viscoelastic-hyperelastic systems at finite strains via topology optimization

This study focuses on the topology optimization framework for the design of multimaterial dissipative systems at finite strains. The overall goal is to combine a soft viscoelastic material with a stiff hyperelastic material for realizing optimal structural designs with tailored damping and stiffness characteristics. To this end, several challenges associated with incorporating finite-deformation viscoelastic-hyperelastic materials in a multimaterial design framework are addressed. This includes consideration of a thermodynamically consistent finite-strain viscoelasticity model for simulating energy dissipation together with F-bar finite elements for handling material incompressibility. Moreover, an effective multimaterial interpolation scheme is proposed, which preserves the physics of material mixtures in the context of density-based topology optimization. A numerically accurate analytical design sensitivity calculation is also presented using a path-dependent adjoint method. Furthermore, both prescribed-load and prescribed-displacement boundary conditions are considered in the optimization formulations, together with various strategies for controlling stiffness. As demonstrated by the numerical examples, the use of the stiffer hyperelastic material phase in a design not only improves stiffness but also increases energy dissipation capacity. Moreover, with the finite-deformation theory, the effect of the loading magnitude on the optimized designs can be observed.     

基于ICM法的高层建筑大型支撑体系拓扑优化

提出应用连续体结构拓扑优化ICM法对高层建筑大型支撑体系进行拓扑优化。针对高层建筑规范对结构刚度限值是以层间相对位移差形式给出、并结合结构拓扑优化特点,推导了相对位移差敏度分析的伴随法公式,有效提高了计算效率。应用ICM法建立位移约束下结构重量极小化的优化模型,与高层建筑规范对结构刚度限值要求的提法更符合,得到的最优拓扑完全满足规范要求。所提方法应用在概念设计阶段,提供了一种自动化的分析计算及优化设计工具,可以有效地弥补基于经验设计的不足。     

多约束的桥梁结构拓扑优化

基于ESO (Evolutionary Structural Optimization)的拓扑优化方法,本文提出了一种适应于桥梁结构的拓扑优化方法。引进了两种性能指标公式来确定最佳拓扑设计。另外,为了更有效地尝试改进最终设计的细节,而又不进行更精细有限元网格的完整分析,这里提出了一种精细网络设计方案。再者,结合细啃技术,完成了考虑应力、位移、频率约束的斜拉桥优化设计。通过几种桥梁的设计优化,表明该方法的可应用性、简洁性和有效性。     

重载列车拨车机动态载荷模型及速度曲线优选

据列车纵向动力学理论建立拨车机动态仿真模型,考虑缓冲器强非线性特性、车钩间隙效应、车辆启动及运行阻力等因素开发出拨车机动态载荷仿真系统。通过列车拨车试验数据验证模型的有效性,据出口拨车机系统初始设计速度曲线预测4万吨列车拨车载荷。结果表明,初始设计速度下拨车机最大载荷为1414.9 kN。通过对4万吨列车速度曲线的优选保证拨车效率及每次拨车距离,拨车机载荷较原方案下降30%,时间缩短5 s。该动态仿真系统可为重载列车拨车机设计提供新手段。     

水下耐压结构拓扑优化设计方法探究

探究了拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用。与固定载荷作用下结构的优化设计相比,此类问题需要正确地确定压力作用面。在拓扑优化过程中,利用变密度法得到的中间结构拓扑实际上可以看成是灰度图。基于此,提出了基于图像分割技术的压力加载面搜索方法,并利用距离正规化水平集方法(DRLSE)检测图像边界。利用数值算例验证了方法的有效性,并研究了静水压力作用下结构的拓扑优化设计问题。在给定材料约束的前提下,研究了不同边界条件下耐压壳体的最小柔顺度及最优结构拓扑形式。优化结果说明了该方法在多球交接耐压壳结构形式优化设计及复杂边界条件下耐压结构新形式探索中的工程应用价值。     

多载荷多工位转盘拓扑优化设计

基于拓扑优化理论,以结构总质量最小为目标,利用SIMP材料插值方法,结合HyperWorks/Optistruct拓扑优化功能对自动化组装设备中常用的多工位转盘进行了拓扑优化．根据优化后的重构模型与原始结构模型的静力学对比分析知,优化后降低了多工位转盘的总质量,提高了多工位转盘的刚度,同时减小了多工位转盘的局部最大应力．数据结果表明本方法对多工位转盘优化设计是有效的．