基于hypermesh的吊臂结构优化设计

采用壳、体单元建立了吊臂的有限元模型,通过对结构件的拓扑优化,得出材料的最佳分布路径,从而建立吊臂的最初改进模型.对最初改进模型进行尺寸优化,根据尺寸优化的结果并结合型材尺寸标准选用合适的型材,从而得到吊臂最终的改进模型.     

机床大件结构的拓扑优化设计

根据机床结构件的特点，提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法，并对结构进行有限元分析和优化设计，从而实现的自动设计，为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试。     

STEP-NC数控系统若干关键实现技术研究

为解决目前数控机床使用G代码所带来的诸多问题,提出了建立STEP-NC数控系统的方案.整个方案分为控制软件和硬件两部分.控制软件采用模块化设计,分为译码模块、人机接口、任务协调器、轴组和轴模块.译码模块针对STEP-NC加工程序面向对象的特点,将加工特征规划为加工单元路径集合.其他模块根据单元路径以有限状态机为行为模型,最终控制伺服系统实现加工.硬件部分采用开放式体系结构和不同厂商的产品,通过串行实时通讯系统总线连接到一起.经过加工试验,实现了规定的加工特征,证明译码模块工作正确,数控系统稳定可靠.     

叶片砂带磨抛装置关键零件的结构优化设计

针对叶片砂带磨抛装置的关键零件——机架和主动柔顺装置支架,以关键零件的静动态特性为优化目标,结合拓扑优化和多目标优化进行了结构优化设计。首先,根据磨抛装置各机构的安装需求初步设计机架模型,利用拓扑优化的轻量化特性设计改良的机架结构;然后,将磨抛装置关键零件的装配体作为优化对象,结合均匀设计法、灵敏度分析和响应面法建立其静动态特性与对其有显著影响的结构特征之间的二阶响应面模型;最后,以关键零件的静动态特性为优化目标,基于二阶响应面模型和NSGA-II(算法),对磨抛装置机架和主动柔顺装置支架的结构参数进行多目标优化。结果表明,拓扑优化可以获得磨抛装置较好的机架设计结构,多目标优化可进一步优化磨抛装置关键零件的结构特征,减少磨抛装置后续的优化迭代过程。     

定点落料输送机轻量化设计与试验

在ANSYS Workbench中,使用beam188梁单元建立定点落料输送机参数化模型,在满足结构的变形、强度和安全系数的条件下,将主要承载截面尺寸设置为优化变量,运用响应面优化算法,寻找结构质量最轻的尺寸设计组合方案。同时,根据优化结果制作了物理样机,并在样机的关键位置进行物理应变试验,对比分析试验数据,结果表明,整机的质量较优化前减轻了20%,有限元分析结果与试验结果较为接近,且优化后的模型的强度和安全系数都有明显提高。计算结果对其它大跨度结构的设计优化研究提供一定理论参考。     

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%。     

大型焊接结构件CAD系统的研制

在分析各种焊接结构件的基础上，确定了焊件最小单元的形状、尺寸和结构要素，建立了焊件最小单元的图形库。根据图形库生成的最小单元，结合焊接工艺数据库，在已建立的装配模块中进行装配造型，从而生成大型焊接结构件的三维造型图和二维工程图，形成大型焊接结构件的CAD系统。     

机床大件结构的拓扑优化设计

根据机床结构件的特点,提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法,并对结构进行有限元分析和优化设计,从而实现结构的自动设计,为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试.     

TX-1600G镗铣加工中心镗轴滑枕结构拓扑优化设计

为降低镗轴滑枕刚度、固有频率、重量等对加工零件精度的影响,以TX-1600G镗铣加工中心镗轴滑枕为研究对象。应用结构拓扑优化SIMP法并结合折衷规划法和功效函数法,通过间接法建立镗轴滑枕有限元拓扑优化模型,以应变能和模态特征值为综合目标函数设计响应,结构体积为主要约束条件,进行拓扑优化并综合加工工艺等其它因数。在此基础上对比了几种筋板布局,发现双X形筋板综合性能最佳,选用该种筋板对滑枕进一步优化,完成了旨在提高镗轴滑枕动静态特性的多目标优化设计。并与原结构进行对比,验证了结构优化的有效性。为加工中心其他部件的拓扑优化及后续形状、尺寸优化提供了参考数据和基础。     

基于响应面法的饲喂机器人螺旋输送轴结构优化

以羊只饲喂机器人为研究对象,基于响应面法对输送机构的主要构件螺旋输送轴的结构进行优化.对螺旋输送轴进行受力分析,应用SolidWorks软件建立螺旋输送轴三维模型,采用响应面法建立响应面模型,通过多目标遗传算法得出在螺旋输送轴轴径为50 mm,螺距为140 mm,叶片厚度为2.7 mm的条件下,螺旋输送轴的质量减轻、体...     

基于二阶响应面法的五轴磨床主轴多目标优化

五轴磨床主轴的动态性能和运动精度对精密五轴数控磨床性能有显著的影响,为了保证磨床的转动主轴具有良好的动态性能和最优的运动精度,提出了一种结合各尺寸参数敏感性分析的多目标优化设计方法。首先,在SolidWorks中建立合理的参数化模型,将其导入Workbench中进行模态分析与静态分析,根据分析结果对主轴结构主要参数进行对比;然后,进行BOE试验,通过试验结果数据进行线性回归处理与灵敏度分析,找出对主轴质量、刚度与低阶固有频率这3个目标灵敏度高的结构尺寸;最后,利用Design-Expert软件计算样本点响应值,建立某型号立式五轴磨床的设计输入与响应输出之间的二阶响应面优化模型,并采用多目标遗传算法对优化模型在设计空间内进行求解和分析。分析表明：主轴最大形变位移降低27.35%,质量降低3.81%,低阶固态频率提高了6.03%。     

多轴CNC机床运动优化磨齿拓扑修形面齿轮

为了求解利用碟形砂轮磨齿加工拓扑修形面齿轮CNC数控机床各轴运动参数的问题,提出一种数控机床各轴运动参数的优化求解方法。依据多轴CNC机床碟形砂轮磨齿加工各轴的运动关系,建立了多轴机床磨齿实际拓扑齿面的数学模型;将机床各轴运动表示为联系参数的6阶多项式函数,以各轴运动函数的多项式系数为优化参数,并以齿面目标偏差与实际偏差的误差最小作为评价函数,建立了各轴运动参数的优化模型;利用迭代最小二乘法对模型进行求解,获得加工拓扑修形齿面各轴的运动规律。通过拓扑修形面齿轮加工优化仿真和磨齿试验,实现了高精度拓扑修形面齿轮的数控磨齿,验证了各轴运动参数优化求解的正确性。     

风电塔筒爬壁机器人吸附结构优化设计及试验研究

为适应风电塔筒外壁作业需要,设计了一种可自适应曲面的永磁吸附履带式爬壁机器人,并对吸附结构进行了优化。首先建立了爬壁机器人在壁面的吸附力学模型,分析了爬壁机器人永磁吸附单元所需要的最小吸附力;其次设计了永磁吸附单元的基本结构及履带上永磁吸附单元的排列方式,通过有限元软件分析了不同设计参数对永磁吸附单元吸附力和磁质比的影响,并基于响应面模型,通过多目标优化分析得到了设计参数的最优值;最后通过永磁吸附单元和整机试验验证了吸附结构优化结果的可靠性及爬壁机器人负载稳定性。     

周期狭长结构拼装模块尺寸效应与构型优化

针对狭长结构拓扑优化过程中存在的计算困难、有中间密度存在和优化构型复杂等问题,提出周期模块拼装方法,并建立混合梁单元模块有限元模型,开展了狭长结构的拓扑优化设计。以承受均布压力载荷的悬臂狭长结构为例,分析比较了不同模块数、不同材料用量以及不同截面梁对优化结果的影响。计算结果显示,采用周期模块拼装策略能获得规则简单易制造的优化构型,周期狭长结构具有尺寸效应且存在最佳模块尺寸来最大化拼装结构刚度。将混合梁单元模型的模块尺寸与拓扑协同优化结合,获得了清晰规则的类桁架构型。最后应用所提方法实现了周期狭长梯形结构的构型优化。     

基于响应面法的加工中心立柱结构多级多目标参数优化设计

立柱是决定精密数控机床性能的关键部件之一,为实现立柱质量、沿主轴方向变形和低阶固有频率的综合优化,提出了一种结合拓扑结构和尺寸优化的多级优化设计方法。在第1级优化设计中,通过有限元拓扑结构分析,得到部件结构的优化方向,确定了立柱的内部结构方式。第2级优化中,针对高敏感性参数进行优化,以立柱内部肋板的厚度为例确定其最佳尺寸。在第3级优化中,针对决定立柱的重心尺寸和减重孔尺寸等敏感性相对较低的多个参数,采用中心复合设计的试验方法在设计空间内选取合适的分析样本点,并由有限元分析软件计算样本点响应值,运用最小二乘法建立设计输入与响应输出之间的二阶响应面模型,根据该模型进行设计空间内的优化求解。以某型号卧式加工中心的立柱为例,采用文中方法进行优化设计,得到Pareto最优解集。结果表明:经过该方法优化后得到最优的肋板布置方式及其他相关结构尺寸,与初始结构相比,立柱总体质量减少了47.98%,沿主轴方向的变形和低阶固有频率均在允许范围内,且减小了计算量,结果证明了该方法的可行性。     

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。     

一种上肢康复机器人机械臂的结构优化分析

设计了一种上肢康复机器人,其运动部分采用大L形悬臂梁结构来实现,因而其静态刚度和转动惯量的最小化是该机器人结构优化的主要目标。根据人机肩关节轴对齐度的要求,确定了静态刚度满足的条件;通过拓扑优化计算,对运动结构件进行了轻量化设计。通过对比优化前后的结构,表明修改后的结构力学性能明显改善,完全满足设计要求。     

TC18钛合金铣削表面质量试验研究

针对钛合金的难加工性、加工效率较低问题,以提高加工表面质量为研究目的,分析航空用TC18钛合金铣削加工参数对表面粗糙度、加工表面形貌及金相组织的影响变化。使用田口和优化设计模块两种设计方法进行试验,建立两种预测模型(指数模型及多元二次回归模型)并针对两种模型分别使用多目标遗传算法和响应面法以提高表面质量同时提高加工效率为目标进行参数优化。试验结果表明:各参数对表面粗糙度影响顺序为进给量f铣削深度a_p铣削宽度a_e主轴转速n;多元二次回归模型显著性较高,响应面优化参数组合所得表面形貌最优。观察TC18钛合金铣削加工截面金相组织,结论表明靠近加工表面的等轴α相被拉长,析出条状次生α相。     

抓取机械臂的强度分析和优化设计

以DOBOT Magician机器人机械臂为研究对象,为降低其质量,减少材料消耗,采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方法对其结构的优化设计进行了研究。首先使用建模软件建立三组机器人小臂的参数化模型,将其导入Workbench中进行应力分析和弯曲刚度分析,对三组结果进行对比分析确定危险工况。然后以质量、变形和应力为目标参数对危险工况下小臂的参数进行灵敏度分析,得到对目标参数影响最大的参数,并以这些参数为设计变量,采用响应面优化方法和拓扑优化方法对小臂代理模型进行尺寸和结构优化。优化结果表明：在保障精度和强度的前提下,通过对小臂的轻量化设计,使其质量降低了32.8%,最大应力值降低了21.1%,最大变形减小了24.3%,弯曲刚度增加31.8%,成功实现了小臂的轻量化。同时,该研究也为类似的优化设计提供了一种可行的实施方案流程。     

一种兆瓦风电齿轮箱前机体结构轻量化设计

以经验为主导的传统齿轮箱箱体的设计方法已逐渐无法满足大兆瓦风电齿轮箱的设计要求。基于此,利用拓扑优化和尺寸优化方法,以轻量化设计为目的,在提高强度和保证刚度的条件下对风电齿轮箱前机体进行结构优化设计。前机体的有限元分析表明,有必要对其结构进行优化设计;基于多位置工况建立前机体的静动耦合拓扑优化模型,根据拓扑优化传力路径获得概念模型;采用响应曲面法对概念模型的关键尺寸进行优化设计,通过筛选法得到最优尺寸。对优化前后前机体的性能进行比较,质量减少12.79%,第一主应力基本不变,刚质比提高7.19%,实现了结构轻量化的目的。