基于尺寸和拓扑优化的超大型压铸机 压射支撑结构设计

DM4500压铸机由于上拉杆安装位置偏心,在压射力的作用下三根拉杆的伸长量不同,将导致冲头与压射室因不同轴而快速磨损。利用尺寸优化和拓扑优化技术对压铸机拉杆和企板开展优化设计。首先建立了压射机构的有限元模型,对不同工况下的压射机构进行静力学分析,然后以三根拉杆伸长量差异的最大值作为约束条件,对其进行尺寸优化。在尺寸优化的基础上利用拓扑优化技术对企板进行了轻量化设计,根据拓扑优化的密度云图结果重新设计了企板的结构。再对新的结构进行尺寸优化,获得满足要求的结构优化方案。结果表明,仅进行尺寸优化虽然能够满足设计要求,但是会增重26.3%。采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方案获得的结构能够满足设计要求,同时较原始设计减重3.7%。     

一种特大型螺旋桨翻转结构的优化设计方法

传统新产品开发过程中,需要进行产品试制以对产品性能进行检验。但是这种方法对特大型结构件进行设计验证不仅成本非常高,而且设计周期长,有时甚至无法实现。在能源危机的情况下,特大型结构件设计面临的一个重要挑战是如何在减轻自身质量的前提下具备足够的负载能力。文中通过对特大型螺旋桨翻转机结构件的尺寸与拓扑优化的案例研究,提出了一种特大型结构件快速设计与优化的解决方案。该方法利用ANSYS结合HyperMesh软件的尺寸优化和拓扑优化功能,首先对初始设计方案结构进行尺寸优化处理,在满足刚度与强度的前提下,再对其进行拓扑优化修改模型结构,从而减小结构自身质量77%。这种虚拟实验与结构优化技术的结合方法缩短了设计周期、节约了成本,为特大型结构的设计优化提供了技术借鉴。     

集装箱吊架结构优化设计

采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化对集装箱吊架进行优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计,并在局部再一次进行拓扑优化,改善局部的拓扑结构。利用最终得到的吊架的拓扑结构建立新的有限元模型,综合运用形状优化和尺寸优化;以质量最小为优化目标,吊架的刚度和强度为约束条件,实现吊架的减重。通过综合三种优化方法,不仅提高了吊架的性能,而且大大降低了吊架的质量。     

基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计

提出一种基于应变能和拓扑描述数组的三维弹性体拓扑优化设计方法。该方法通过定义三维弹性体的拓扑描述数组实现了在拓扑优化设计的过程中单元网格的快速重新划分及结构拓扑信息的记录、设计域及非设计域的定义和单元的删除,将应变能低的单元定义为低效或无效的单元,在拓扑优化的过程逐步去除应变能低的单元获得结构的优化拓扑,该拓扑优化设计方法采用ANSYS软件的APDL语言实现。在程序设计中采用巧妙的增加应变能阈值的技术以避免设计灵敏度分析所带来巨大的计算工作量,从而提高了拓扑优化的效率,在整个拓扑优化设计过程中不需要人工控制的参数,程序通用性好。数值结果表明该方法高效简单,得到的最优拓扑符合工程结构的特点。     

高海拔汽车试验舱体结构优化研究

针对高海拔汽车试验舱体结构存在质量过大,舱体在极端工作情况下发生失效的问题,以中间段测功舱为研究对象,对其主体结构静态和动态性能进行了研究。提出了以测功间舱静态载荷下刚度最大和动态低阶固有频率最大为目标,采用折衷规划法和平均频率法定义多目标函数进行了结构拓扑优化,得出了其结构的单元密度图,找出了舱体结构的薄弱环节;对拓扑优化后的舱体构型进行了重新布局,通过构建尺寸参数的数学优化模型,对关键尺寸加强筋厚度及蒙皮参数进行了尺寸优化。研究结果表明:优化后的测功间舱体结构质量减少10.9%,前三阶固有频率增长6.2%～7.8%,最大变形量减少13.6%,虽然最大等效应力增加24%,但各项指标仍满足测功间舱工作情况设计要求,最终实现了优化目的。     

基于ANSYS Workbench的激光雷达测试支架优化设计

针对航天产品轻量化与高可靠性的设计要求,使用拓扑优化和尺寸优化技术来控制航天结构部件质量.以激光雷达测试支架为例,采用ANSYS Workbench中变密度法开展拓扑优化,获得支架结构的主传力路径;针对变密度法中灰度单元与锯齿边界问题,采用多边形曲线拟合得到初始拓扑结构.在此基础上进行有限元分析选取关键结构尺寸参数,利...     

摩托车铝合金车轮轻量化研究

摩托车车轮的自身质量会影响操控性能和成本。为了合理设计车轮结构及尺寸,文中采用拓扑优化的方式,合理地选择优化目标、设计约束及相关的制造约束,在保证车轮具有较大刚度和强度的同时,获得材料的最佳分布,从而保证结构有合理的载荷传递路径。基于拓扑优化结果,对车轮的相关尺寸进行参数化,建立参数化模型,最后在参数化优化软件中搭建车轮的优化流程,实现车轮的自动优化。结果表明：参数化优化后的车轮质量减小了13.3%,采用拓扑优化和参数化优化技术能有效提高车轮减重的效率和准确性。     

基于拓扑优化和Kriging模型的前中盾结构轻量化设计

前中盾是盾构机的重要部件,其结构尺寸大、服役环境复杂,因此,在保证结构强度的前提下进行轻量化设计至关重要。针对某型号泥水平衡盾构机的前中盾,通过拓扑优化和尺寸优化实现轻量化。对现有前中盾结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果进行二次设计;针对二次设计后的前中盾结构,构建尺寸优化模型,利用正交试验和方差分析筛选出对性能响应(前中盾质量、最大变形和最大应力)影响较大的结构参数作为设计变量,并通过最优拉丁超立方采样和有限元分析获得45组样本点,由此构建设计变量-性能响应隐式关系的Kriging代理模型;通过序列二次规划算法对前中盾尺寸优化模型进行求解获得最优的尺寸参数组合。验证结果表明,前中盾经过拓扑优化和尺寸优化后,质量减小约30 t,降幅达3.1%。     

机械结构参数化三级优化设计方法研究与实现

针对传统设计方法的设计结果安全系数过高、结构材料浪费严重的问题,在深入研究优化设计方法的基础上,根据现有优化设计方法的不足,提出机械结构的参数化三级优化设计方法。通过建立统一数据管理机制,将优化设计与参数化设计技术相结合,在基于变密度法的拓扑优化设计与单元生死技术的基础上,以结构最大柔度为优化目标,体积和平衡条件为约束条件,小密度单元为杀死单元,实现了参数化的连续体结构拓扑优化;研究了基于拓扑优化结果数据的参数化CAD模型生成技术,通过建立关键点实现了拓扑优化结果CAD模型的自动生成;在此基础上,研究了形状优化设计和尺寸优化设计与参数化设计技术相结合的优化方法;通过优化结果数据提取,快速进行优化结果模型的生成,实现了机械结构的快速参数化三级优化,避免了现有结构优化设计过程中手动进行模型修改更新操作复杂、浪费时间的弊端;最后,以某型号汽车转向器支架为例,验证了该方法的有效性。     

地铁车钩维护工作台轻量化设计

针对传统设计方法下地铁车钩维护工作台尺寸与重量偏大,使得材料成本增大的问题,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法,通过构建拓扑优化模型和尺寸优化模型,进行了从车钩维护工作台拓扑结构到各尺寸参数的优化过程,实现了车钩维护工作台的轻量化设计。在轻量化设计过程中,通过结构的拓扑优化设计得到了材料在设计空间内的最佳分布,在此基础上提取车钩维护工作台拓扑结构,并通过相对灵敏度分析,筛选出对车钩维护工作台质量降低敏感但对性能降低不敏感的设计变量,最后以筛选出的6个变量作为设计变量进行尺寸优化设计。结果表明:优化后的车钩维护工作台强度有所提高,刚度满足设计要求,并且实现减重49.28kg,减重率为30.73%,轻量化效果显著。     

基于连续响应表面法的汽车结构耐撞性仿真优化

汽车结构的耐撞性及碰撞吸能优化是现代汽车工业重要的研究内容.耐撞性的优化涉及到材料与结构的众多参数,传统的设计、仿真及碰撞试验往往只能在一定程度上改善结构的碰撞性能,而无法达到限定条件下的最优状态.为解决汽车碰撞的优化问题,文中采用连续响应表面方法,通过变量筛选技术和一阶线性响应表面模型,并结合非线性有限元程序进行全局寻优.汽车前端结构的耐撞性优化表明,该方法具有较高的精度和稳定性.     

A model for yawing dynamic optimization of a wind turbine structure

A novel design optimization model for placing frequencies of a wind turbine tower/nacelle/rotor structure in free yawing motion is developed and discussed. The main aim is to avoid large amplitudes caused by the yawing-induced vibrations in the case of horizontal-axis wind turbines or rotational motion of the blades about the tower axis in case of vertical-axis wind turbines. This can be a major cause of fatigue failure and might severely damage the whole tower/nacelle/rotor structure. The mathematical formulation considers a single pole tower configuration having thin-walled circular cross section with constant taper along the tower height. The nacelle/rotor combination is modeled as a rigid mass elastically supported at the top of the tower by the torsional spring of the yawing mechanism. Adequate scaling and non-dimensionalization of the various parameters and variables are given in order to make the model valid for a variety of wind turbine configurations and types of the material of construction. The resulting governing differential equation of motion is solved analytically by transforming it into a standard form of Bessel's equation, which leads to the necessary exact solutions for the frequencies and mode shapes. Several cases of study are examined for different values of the yawing stiffness and inertia parameters by considering both conditions of locked and unlocked yawing mechanism. Useful design charts are developed for placing the frequencies at their needed target values with no penalty of increasing the total structural weight of the system. In all, the developed model guarantees full separation of the system frequencies from the critical exciting yawing frequencies by proper choice of the optimization design parameters.     

龙门起重机金属结构的多目标动态优化

针对龙门起重机金属结构动态特性的复杂性和非线性,综合考虑龙门起重机金属结构设计中尺寸参数及起升载荷的不确定性,利用参数化有限元模型和试验设计方法,在龙门起重机金属结构动态系统中,建立了设计变量和动态参数间的关系。通过运用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),寻求桁架梁尺寸及节间布置最优化方案,并满足低应力、高固有频率及轻量化的要求,在构建高精度的响应面近似模型的基础上,运用Monte-Carlo模拟技术对优化方案的鲁棒性进行了评价。结果表明,该优化方法有效地实现了龙门起重机的动态结构优化,显著提高了其设计质量和效率。     

非正态分布参数的车辆零件可靠性稳健设计

将可靠性优化设计理论、可靠性灵敏度技术与稳健设计方法相结合,讨论了具有非正态分布参数的车辆零件的可靠性稳健设计问题,提出了可靠性稳健设计的计算方法。把可靠性灵敏度溶入可靠性优化设计模型之中,将可靠性稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题。在基本随机参数的前四阶矩已知的情况下,通过计算机程序可以实现具有非正态分布参数的车辆零件的可靠性稳健设计,迅速准确地得到具有非正态分布参数的车辆零件的可靠性稳健设计信息。数值算例表明所提出的方法是一种非常方便和实用的可靠性稳健设计方法。     

基于CAD模型的齿轮辐板优化设计

对一种基于二维CAD模型的齿轮辐板优化设计方法进行了研究.探讨了其优化数学模型的建立方法,包括设计变量的选择、目标函数的确定及约束条件的选取.讨论了模型的数据结构及有关参数的计算,开发了齿轮辐板优化设计通用计算程序.并对某直升机减速器中的一薄辐齿轮辐板进行了优化,有效地减轻了齿轮的重量,取得了良好的效果.     

高速压力机组合机身优化设计

利用ANSYS软件对高速压力机组合机身进行优化设计。根据组合机身的特点建立了优化模型;利用灵敏度分析确定对目标函数和状态变量影响较大的设计变量,提高优化效率;提出7个优化方案并进行优化计算。优化设计后,改善了高速压力机机身的动态特性,减小了机身质量,达到预期效果。     

参数优化方法在轻质反射镜结构设计中的应用

介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法。利用ANSYS软件对采用扇形开口孔轻量化的某遥感器主反射镜建立参数化结构模型,将对反射镜力学性能影响较大的某些结构参数如镜体厚度、扇形孔的位置、尺寸等指定为优化设计变量,根据反射镜的加工和装配工艺合理地确定这些结构设计变量的可行域,运用ANSYS优化设计模块提供的零阶优化方法对镜体结构进行了优化设计。力学分析表明,经过优化后的反射镜结构相比于原设计方案轻量化程度更高,静力学性能更好。     

基于遗传算法的桁架结构动力学形状优化

针对桁架结构动力学形状优化的复杂性及其设计变量的不统一性，本文采用实数编码技术进行统一处理，并提出了基于自适应遗传算法的结构动力学形状优化方法。算例结果表明本文方法的有效性和工程适应性。     

用拓扑优化方法进行热传导散热体的结构优化设计

分析了拓扑优化中的材料密度方法和优化准则数值求解算法,将结构力学中的拓扑优化方法应用到热传导结构的优化设计中,建立了热传导结构的拓扑优化数学模型,以设计具有最佳散热效果情况下的结构拓扑分布,为传热体的结构优化设计提供了一种有效的新思路和方法。     

液压自动车床V带传动可靠性优化设计

V带传动常规的设计方法是以保证带传动不打滑又具有足够的疲劳寿命为准则进行的选择性设计,但由于带传动设计中的相关参数均为随机变量,且近似服从正态分布规律,从而使得设计结果很难达到最优。将带传动设计的有关参数按随机变量处理,以带传动具有足够的疲劳寿命和不打滑的可靠度以及小带轮直径、小带轮包角、中心距等为条件约束,根据有关可靠性设计理论和优化设计理论建立带传动优化设计的数学模型,应用MATLAB优化工具箱对液压自动车床带传动系统进行优化设计,得到了最优的传动方案。