基于灵敏度及层次分析法的键合头多目标结构优化

为满足保证键合头动态特性、避免共振条件下达到结构轻量化设计要求,提出基于灵敏度计算参数优选及基于层次分析法最优解提取相结合的多目标优化设计方法。通过有限元仿真计算与模态实验结合研究键合头动态特性验证有限元模型精度。针对拾取臂部件设计参数进行灵敏度分析并提取优化设计变量。用多目标遗传优化算法对拾取臂以一阶固有频率、结构质量为目标优化计算,用层次分析法优选出最佳优化方案。结果表明,优化后拾取臂一阶固有频率提高27.1%,结构质量减轻8.9%,且键合头已避开共振频段达到设计要求。该研究方法具有较高的精度及应用价值。     

基于结构优化技术的皮带输送机辊筒性能改进

目的为了改善食品包装生产线中的皮带输送机结构力学性能,提高皮带输送机的工作寿命,通过结构优化技术对主动辊筒进行结构设计。方法首先,对主动辊筒进行结构分析和力学分析;然后,运用拓扑优化技术对辊筒辐板进行力学性能改进和轻量化设计;其次,基于HyperMorph对主动辊筒有限元模型进行空间节点的预变形,并进行形状优化求解。结果优化结果分析可得,主动辊筒的柔度从1340.304mm/N降至791.1324 mm/N,一阶固有频率从849.344 Hz增大到980.046 Hz,结构质量从1.235 t减小到0.806 t。结论优化结果表明,基于结构优化技术的主动辊筒结构,不仅有效地提高了结构的静刚度特性,一阶固有频率的提高说明加强了抑制振动的能力,还实现了结构的轻量化,节省了结构生产制造成本。该方法对于现代工程领域中的结构优化设计具有重要的借鉴意义。     

基于铺层设计特征的碳纤维增强复合材料悬架控制臂结构优化

基于铺层设计特征,提出一种使用碳纤维复合材料对承载结构件进行结构优化设计的方法和流程.该方法综合考虑结构几何特征、材料铺层方式、铺层厚度及铺层角度在设计环节中的序列关系,通过几何设计空间构建、离散变量多目标优化、基于工艺可行性的最优决策等方法实现结构设计.以碳纤维增强复合材料悬架控制臂的轻量化设计为例:首先,以钢质控制臂结构为参考建立复合材料控制臂的几何设计空间;然后,以复合材料铺层便利性为原则对其进行结构设计,采用准各向同性铺层对控制臂的铺层厚度进行设计;进而,以提高控制臂刚度和1阶固有频率为目标,使用优化算法对铺层角度进行多目标优化设计;最后,以工艺可行性为约束对优化结果进行筛选并最终完成结构设计.结果表明,所设计复合材料结构具有更大的刚度和1阶固有频率,并且与钢质结构相比减重47.9%.所提出的方法能够较好地兼顾结构特征和复合材料设计要求之间的关系,为复合材料结构优化设计理论与方法的发展提供有益参考.     

碳纤维复合材料控制臂多尺度多目标优化

为实现悬架控制臂轻量化设计,采用碳纤维复合材料(CFRP)对钢制控制臂进行材料替换,并利用多层次优化方法对CFRP控制臂进行铺层优化。基于多尺度分析方法,考虑碳纤维复合材料细观结构参数及铺层角度对控制臂宏观性能的影响,选取细观尺度下纤维束截面高度、宽度、纱线曲折度、单位长度经纬纱数量及四个经典铺层角度作为设计变量,以控制臂的质量最小、一阶模态频率最高为优化目标,以刚度和强度为约束条件,结合响应面近似模型和NSGA-Ⅱ优化算法对碳纤维复合材料控制臂进行多尺度多目标优化,得到Pareto解集。优化结果表明,在刚度满足使用性能要求下,CFRP控制臂的质量较钢制控制臂下降了65%,且强度、振动特性等性能得到大幅提升,轻量化效果显著,可为碳纤维复合材料结构件的轻量化设计提供参考。     

基于轻量化设计的编码器安装座动刚度研究

目的 为了提高编码器的检测精度,对编码器安装座的频率拓扑优化进行研究,以实现结构轻量化,并提高其动刚度特性。方法 依据编码器安装座的实际工况,利用HyperMesh对编码器安装座进行有限元前处理。以编码器安装座受载节点的频响位移最小化为优化问题的目标函数,以优化前后结构的体积比为约束条件来构建编码器安装座的频响优化模型,并使用OptiStruct进行求解,同时,采用OSSmooth高效地对优化结果进行CAD模型的提取和再分析。结果 由优化前后结果对比可得,编码器安装座的动刚度值在x方向忽略不计,y方向由2564.25增大到5932.11,z方向由62 500.36增大到109 792.54;一阶固有频率由3860.664 Hz显著增大到8380.32 Hz。结论 该方法不仅改善了编码器安装座在工作过程中的动态特性,还降低了编码器安装座的制造材料,实现了结构轻量化的目的。     

带长法兰汽车多楔轮静动态分析与结构优化

目的为研究带长法兰汽车多楔轮的结构稳定性,实现零件轻量化,对多楔轮结构进行仿真研究和优化设计。方法通过建立有限元模型,使用ANSYS有限元软件进行不同齿数结构汽车多楔轮静动态分析,研究其变形量、应力分布规律及固有频率的变化情况。结果仿真结果表明,一阶至六阶的固有频率为56.62～1691.90 Hz,三齿为多楔轮最优齿数结构,其结构稳定性好,传动效率高。结论在实际工况中,激励源应避免出现在x轴和z轴方向。结构优化后的带长法兰汽车三齿多楔轮质量减少了3.2%,刚度基本不变,强度增加,为汽车多楔轮实际结构设计提供了一定的参考价值。     

长条形SiC空间反射镜轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜结构刚度、面形精度的同时,最大限度的降低反射镜质量,成为各国新兴的、重要的研究课题。本文从材料、支撑形式、相关几何参数以及轻量化结构形式等方面对反射镜进行详细设计。提出了通过拓扑优化确定反射镜背部轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明：重力载荷下面形精度达到 λ/10 PV,λ/50 RMS (λ=632.8 nm),PV值 7 nm,RMS值 1.68 nm,反射镜组件一阶固有频率 256 Hz,均优于传统结构形式的反射镜,能够满足应用要求。     

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。     

刚性接触网腕臂型支持装置的振动特性分析与结构优化

刚性接触网腕臂型支持装置是刚性接触网重要的支撑部件,在实际工作中,随着弓网动态接触力的变化,支持装置承受着复杂多变的载荷,因此要求其具有较高的的可靠性。为研究刚性接触网腕臂型支持装置的振动特性及其结构优化,通过腕臂型支持装置的有限元分析,确定其应力最大点,并通过模态分析,提取了腕臂型支持装置的固有频率与振型。其次通过动态应力采集试验,结合有限元分析结果,确定其易发生疲劳故障部位,并进行了振动特性分析。最后针对振动分析和模态分析结果,并基于腕臂型支持装置零部件厚度与刚度的区间不连续的变化方法,以提高1阶固有频率为目标,对其进行了结构优化与验证。结果表明,随着厚度的增加,腕臂型支持装置的固有频率相应增加,优化后的腕臂型支持装置1阶扭转频率由16.75 Hz提高到22.40 Hz,远离弓网动态抬升力信号振动频率,显著改善了腕臂型支持装置的扭转振型。     

双材料自由阻尼层结构拓扑优化设计方法

目的 在不减小板壳结构动刚度的前提下有效提高板壳结构的抗振性能,提出一种板壳阻尼复合结构拓扑优化设计.方法 以结构模态阻尼比为目标函数,以某阶固有频率不小于设定值为约束条件,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度表达式,采用SIMP插值函数和移动渐近线法求解优化数学模型.结果 研究表明,文中提出的双材料阻尼层结构相比传统单材料阻尼层结构的振动响应明显减小,同时适当改变设计目标和约束条件,可满足不同的工程应用需要.结论 通过在宏观上对高刚度低阻尼材料和低刚度高阻尼材料的分布进行了设计,优化后的结构兼顾低刚度高阻尼材料的高阻尼特性和高刚度低阻尼材料的高刚度特性,实现了结构高刚度高阻尼的设计.     

考虑装配变形的精密机床床身优化设计

为了减小装配变形,提高机床装配精度,提出了一种考虑装配变形的机床床身优化设计方法。首先,分析了机床装配变形部位和床身装配变形机理,研究了影响机床床身装配变形的因素及其影响规律;其次,基于响应面模型和遗传算法,提出了考虑装配变形的机床床身多目标优化方法,给出了优化设计流程;最后,以经典的机床床身为实例,以床身结构参数为设计变量,以床身质量、装配变形幅值、最大静变形量最小和一阶固有频率最大为优化目标,对床身进行优化设计。结果表明：床身长度和宽度方向的筋板数量和筋板厚度均对装配变形有重要影响;床身优化后,可有效减小装配变形,提高装配精度,同时使床身的质量更小、刚度更大和动态性能更优。研究结果不但为机床基础大件的结构分析与优化设计提供了参考,也为其他类似设备的多目标优化提供了理论依据,具有重要的工程实践价值。     

Structure optimization of connection frames based on frequency sensitivity in macro-micro motion platforms

High-performance connection frames are of great significance for ultra-high acceleration and ultra-precision positioning in macro-micro motion platforms. This paper first takes the connection frame as a research object,builds a finite element model(FEM) of the natural frequency of the frame, and then verifies the correctness of this model. The frequency sensitivity method is then used to perturb the structural parameters of the FEM of the connection frame, and the sensitivities of the first-order natural frequency and mass of the corresponding structural parameters are obtained by calculation and analysis. The design variables are also determined. The natural frequency is used as the optimization objective, and the design parameters and mass of the connection frame are constrained. The structural parameters of the connecting frame are obtained through optimization, and the model is built and verified by experiments. The results show that the first-order natural frequency of the connecting frame is effectively improved by the frequency sensitivity method, avoids resonance between the connecting frame and the voice coil motor, and realizes the lightweight design of the connection frame. This research provides a reliable basis for the stable operation and ultra-precision positioning of ultra-high acceleration macro-motion platforms.     

面向灰库清理的超大伸缩比机械臂结构设计与刚度优化

火电厂灰库内壁粉尘粘壁、板结、搭桥等现象严重影响火电机组的安全运营,因此须对灰库内壁积灰进行定期全域清理。针对现有灰库清理机器人作业区间有限及因机械臂伸缩比不足、刚度不大导致的清理效果不佳等问题,通过设计引入往复绳排驱动机构和多级嵌套箱型臂体,设计了大刚度、伸缩比为1∶7的机械臂整体结构,研制出一款面向灰库内壁全方位清理的高效作业机器人。基于机械臂级联臂体本征结构和内外耦合作用力系深度分析,结合Castigliano第二定理和线弹性原理,建立了在复杂交变载荷作用下变长度机械臂整体刚度模型。综合考虑在极端工况下机械臂应力分布特征,通过周期性拓扑优化低应力区各离散子域孔洞形状,提出了在严苛质量约束下机械臂全域刚度优化方法。机械臂性能仿真和测试实验表明：优化后机械臂质量大幅减小,且具备理想的伸缩区间和刚度特性;机械臂末端偏移量的测试值与仿真值存在一定偏差,系机械臂加工和装配误差所致。研究结果为灰库清理机器人的结构设计和刚度优化提供了重要参考。     

Composite wrist blocks for double arm type robots for handling large LCD glass panels

Recently, robot structures handling liquid crystal display (LCD) glass panels are increased in size as the size of LCD is increased. In order to handle large LCD panels, the robot structures should have high stiffness to reduce the deflection of robot end effector under the weights of LCD. The LCD manufacturing industries have a trend to employ double arm type robots rather than single arm type robots to increase productivity. Currently, two aluminum wrist blocks that have different configurations not to interfere with each other are mounted on the robot arms. The aluminum wrist block becomes one of the largest deflection sources as the size of the robot structures increases. Since the size of the wrist block can not be increased indefinitely to increase the stiffness due to the limitation of driving motor power, the best way to increase the stiffness of the wrist block is to employ carbon fiber epoxy composite material for structural material of the wrist block because the carbon fiber epoxy composite material has much higher specific stiffness and damping than aluminum. In this work, the two wrist blocks for the double arm type robot for handling large LCD glass panels were designed and manufactured using foam core sandwich structure. Finite element analysis was used along with an optimization routine to design the composite wrist blocks. Box type sandwich structures were employed to reduce shear effect arising from the low modulus of polyurethane foam core. The weight reduction of the composite wrist blocks was more than 50% compared to those of comparable aluminum wrist blocks and found that the composite wrist blocks had much improved performances compared to those of the aluminum wrist blocks from the static and dynamic tests.     

圆柜内机缓冲衬垫多目标优化设计

目的 基于有限元软件研究圆柜内机包装件静态载荷下的力学特性，并进行多目标优化设计。方法 利用CREO建立三维模型、ANSYS Workbench建立有限元模型，对圆柜内机包装件进行静力学分析。以上缓冲衬垫的5条筋条厚度和2侧壁厚作为设计变量，以上缓冲衬垫的质量、包装件的最大变形量和最大等效应力作为目标函数建立优化模型。基于OSF试验设计方法和Kriging模型，采用多目标遗传算法进行多目标优化设计。结果 优化前的包装件最大变形量为1.511 3 mm，最大等效应力为0.327 6 MPa。优化后包装件的筋条和侧壁厚度显著降低，上缓冲衬垫质量减少了27%，整体强度无显著降低。结论 建立的多目标优化设计方法合理且Kriging模型精度较高，在保证缓冲防护效果的基础上，实现了轻量化设计，降低了包装成本。