平面三自由度柔顺机构构型设计与性能分析

采用并联原型机构微分雅克比矩阵与实体各向同性材料惩罚函数法(Solid isotropic material with penalization, SIMP)相结合的拓扑优化方法,以柔度最小和低阶模态频率最大为多设计目标,建立平面三自由度柔顺机构拓扑优化模型实现拓扑优化。以拓扑优化得到的模型边界为形状优化为设计变量,对拓扑优化模型应力与末端位移约束为优化目标进行二次优化。采用增材制造方法3D打印技术对平面三自由度柔顺机构拓扑构型进行加工,并采用雷尼绍双频激光干涉仪进行测量与数据采集。实验与有限元仿真对比结果表明:采用多目标拓扑优化和形状优化组合形成二次优化,运用二次优化方法设计得到的平面三自由度柔顺并联机构,在满足机构具有很好的整体刚度要求下,拥有很高的低阶模态频率实现振动拟制,而且能够实现微纳尺度位移运动特性。     

XH786A立式加工中心立柱结构拓扑优化设计

基于Hypermesh平台,采用连续体独立、连续、映射(ICM)拓扑优化方法,以模态频率为目标建立结构拓扑优化模型,完成了XH786A立式加工中心立柱结构拓扑优化设计。设计结构动、静态性能有较大的改善,为后续的整机优化和详细设计提供了理论指导和设计原型。     

以频率为目标的加筋平板结构优化设计研究

以加筋平板结构的多阶模态频率达到指定值为优化目标,探讨结构的优化设计方法。提出一种双向渐进结构拓扑优化法结合尺寸优化方法的结构频率优化设计的改进方法。该方法采用具有规则格栅骨架的加筋平板结构优化模型,以骨架中的梁为结构修改基本单位,以梁敏度计算为基础。实现以频率为目标函数、以体积为约束,并结合敏度再分配策略的结构优化设计。最后,运用尺寸优化方法对优化结果进行后续详细设计。经加筋平板结构频率优化设计算例证明,该方法能满足结构的多阶模态频率优化要求;同时优化结果不存在一般拓扑优化的不规则结构问题,抑制局部模态的产生,对飞机风洞颤振实验模型的设计具有借鉴意义。     

机载设备振动夹具优化设计方法

针对机载振动夹具设计过程中存在的经验依赖性高、设计周期长、试制成本高、缺乏综合分析等问题,在传统设计方法的基础上,提出了一种基于拓扑优化方法的振动夹具优化设计策略。阐述了传统振动夹具的设计原则和方法,基于传统设计规范开展了振动试验夹具的初步设计。采用模态动力学仿真对基于初始设计的振动夹具进行了分析。根据模态分析结果确定了振动夹具拓扑优化设计的优化位置,优化初始空间、优化目标和约束条件,开展了基于固体各向同性材料惩罚方法 （SIMP）的拓扑优化分析。基于拓扑优化分析结果,综合考虑可制造性、后期维护和安装便捷性等因素,进行了模型重构,同时针对装夹结构的薄弱位置进行了刚度优化设计。优化后的振动夹具模态分析结果验证了所提设计方法的有效性,为振动夹具的优化设计提供了一种新的思路。     

数控插齿机床身的静动多目标拓扑优化设计

为了提高数控插齿机床身结构静刚度和动态性能,基于SIMP材料插值方法,采用折衷规划法,建立以刚度最大化和低阶模态频率最大化的多目标拓扑优化模型,对数控插齿机床身进行拓扑优化,得到最佳拓扑形式。根据拓扑形式重构床身模型,并对原结构模型和重构模型进行分析,结果表明,经过拓扑的结构能同时满足数控插齿机床身静刚度和振动低阶频率的要求,为数控插齿机床身结构拓扑优化设计提供一种方案。     

机载光电平台内框架拓扑优化设计

为提高机载光电平台动态性能,减小振动环境对其成像质量的不利影响,采用基于变密度法的拓扑优化理论,以最小化合成柔度指数为目标函数,以基频不低于某值为约束条件,对光电平台内框架进行了拓扑优化设计,并对优化前、后内框架结构的刚强度及模态振型进行了对比分析,结果表明优化后内框架在减重8%的情况下静、动态特性均得到了大幅度提升,最大变形量由0.058 mm下降至0.016 mm,最大应力值由16.3 MPa下降至2.7 MPa,基频由131 Hz提高至213 Hz。在减小重量的同时有效地降低了结构的最大变形,提高了结构整机性能。最后通过振动试验验证了拓扑优化结果的正确性。这种拓扑优化技术将为以后光电平台的设计提供有效的帮助。     

电动车变速器箱体拓扑优化设计

针对电动车变速器箱体结构,从正向设计的角度采用变密度的拓扑优化分析方法对箱体内、外筋板及外廓结构展开拓扑优化分析。箱体的拓扑优化以加权应变能作为优化目标,以箱体体积分数、位移、应力、模态频率和制造加工方式为约束条件。基于拓扑优化结果,同时考虑箱体结构的安装、润滑、冷却等功能要求,完成箱体结构的优化设计,并对优化设计的箱体结构进行了有限元静强度和模态特性分析。结果表明,电动车变速器箱体结构静强度和模态频率均高于设计指标,实现了电动车变速器复杂箱体结构的拓扑优化设计。     

基于变密度法的双向载荷横梁拓扑优化设计

屋顶排水槽板折弯机的横梁在折弯过程中承受双向载荷作用,横梁的刚性和抗振性是影响折弯机整机精度和稳定性的重要因素。首先对横梁承载情况进行受力分析,然后建立基于变密度法的拓扑优化数学模型,增加双向载荷约束条件,采用通用性较强的优化准则法,通过卷积算子建立滤波器修改元素灵敏度以提高网格独立性,解决棋盘格和网络依赖性问题,编制相应MATLAB优化程序进行结构拓扑优化,利用优化后的截面形状绘制三维模型,引入到ANAYS软件对拓扑结构优化结果进行静动态分析以验证优化结果,并通过LMS振动测试仪和分析系统对横梁进行模态测试试验,验证了优化与仿真的有效性和准确性,最终设计成果应用于屋顶排水槽板折弯机横梁设计,取得了很好的工程应用效果,为相似结构件优化设计提供了有益的借鉴与参考。     

变密度法在车身焊点布置拓扑优化中的应用

为探索焊点布置对乘用车车身振动特性的影响,将变密度拓扑优化法应用于车身焊点布置的设计中,改善乘用车车身共振问题。首先,确定影响车身低阶模态频率的关键部件,然后将车身结构进行分区,最后应用变密度法对车身关键部件的焊点进行分区拓扑优化。结合乘用车车身焊接工艺,以车身低频固有振动特性为优化目标,以车身焊点体积最少为约束条件,以焊点单元密度为设计变量,对车身结构焊点布置进行拓扑优化。经模态分析,结果表明拓扑优化后车身焊点数目缩减了2.38%,车身的一阶模态频率为27.53 Hz,提高了1.28 Hz。将变密度法应用于乘用车车身焊点布置拓扑优化设计,有助于确定车身焊点的最佳布局,减少结构共振的可能性。     

降低制动摩擦振动的制动器结构拓扑优化设计

本文建立起某车型盘式制动系统三维有限元模型,分析了该制动系统的摩擦振动噪声特性,并基于ABAQUS/Optimization模块对该制动系统进行结构拓扑优化设计,在满足轻量化的目标要求下改善摩擦振动噪声问题.结果表明:制动系统在摩擦力作用下可能出现四种振动模态,且产生频率为3632.4 Hz的振动噪声的倾向和强度最大.产生该频率摩擦振动噪声的原因是由于制动钳的第4阶模态频率与制动盘的第11阶模态频率非常接近,在摩擦力作用下容易产生共振.通过对制动钳进行结构拓扑优化设计,移除制动钳两侧区域的材料,使其在满足重量最小的目标前提下将第4阶模态频率降低到2804 Hz,从而避免与制动盘发生共振,且制动钳的重量减轻了17.1％.进一步采用复特征值分析对结构优化后的制动系统进行摩擦振动噪声特性预测,结果表明制动系统仅有两组相邻模态出现模态耦合现象,且原始制动系统出现的3632.4 Hz的振动噪声频率已经消失,制动系统摩擦振动噪声问题得到显著改善.     

基于HyperMesh/OptiStruct的发动机支架结构拓扑优化设计

利用SolidWorks三维建模软件建立发动机支架的原始计算机辅助设计(computer aided design, CAD)模型,并将其CAD模型导入HyperMesh,生成三维模型,对发动机支架有限元模型的静态特性和动态特性进行分析,进而利用HyperMesh自带的OptiStruct优化模块中的变密度拓扑优化算法...     

振动夹具的综合优化设计

夹具设计要求质量轻、刚度大。为了在这两者间取得平衡,文中综合使用拓扑优化和尺寸优化两种方法对夹具进行优化设计以实现设计目标。基于拓扑优化结果设计了夹具的拓扑优化模型。虽然相对于初始模型,该模型的第1阶固有频率降低了36.5%,但其质量降低了66.7%,表明拓扑优化效费比显著。以设计参数的合理设计范围作为约束条件,把使第1阶固有频率最大和夹具质量最轻作为优化目标来实施尺寸优化,得到夹具的详细设计模型。与拓扑优化模型相比,该模型的质量降低了3%,第1阶固有频率提升了6%。之后对振动夹具实施了随机振动试验。受试设备安装点的功率谱密度响应曲线的均方根值最大为输入谱均方根值的1.17倍,说明夹具具有良好的动力学传递特性,夹具的综合优化设计方法有效可行。     

典型安装架在随机振动下的优化设计

采用仿真和试验的方法对机载电子设备安装架在随机振动条件下的优化设计进行了研究。首先,采用静力等效思路将随机振动载荷转化为静载荷,对安装架在静载荷下进行拓扑优化。接着,基于拓扑优化结果进行了模型设计和动力学仿真分析,分析结果表明,在保证优化后质量不高于原设计模型的条件下,优化后安装架的强度和刚度都有显著提高。最后,通过随机振动试验验证了该优化设计的可行性。     

柴油机机体三维建模及有限元模态分析

应用有限元理论模态分析,对SF480型发动机的机体进行了动态特性研究.首先,在Pro/E中建立机体的三维实体模型,再导入ANSYS中进行网格划分,得到其有限元模型,采用子空间迭代法进行模态求解得到前10阶固有频率和振型;其次,通过理论模态与实验模态参数的对比,验证了结果的有效性,并分析了机体模态的规律,为该类型发动机的机体结构优化提供了一定的参考依据.     

车身结构NVH特性多目标拓扑优化研究

建立了某车身地板结构动力学有限元模型,通过分析自由模态固有频率和多点激励下频率响应,验证了车身地板数值分析模型的有效性。以地板结构各激励点最大振动速度的平方和最小化作为目标函数,建立了多目标拓扑优化模型。通过解读优化结果,提出了地板结构改进方案。改进后的车身地板结构各阶自由模态固有频率增加达10%以上,各激励点速度响应大大降低,NVH特性明显提高。研究表明,减小振动速度的多目标拓扑优化设计是一种改善车身NVH特性的有效方法。     

连续体结构综合优化设计

以连续体为对象的优化解法所求得的优化结果,经常只是反映最佳传力途径的具有锯齿状边界的某个区域。基于此,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助几何设计有机地集成在一起,提出一种基于隐含边界描述的水平集连续体结构拓扑和形状渐进综合优化设计方法,将形状导数与拉格朗日乘子法引入到优化敏度分析中,控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界的动态演化;用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,将前一优化过程所得到的反映传力途径的概念解上升为具有光顺边界,并被参数化了的物理解;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布,使结构变为最佳。通过一个典型算例证明所研究方法的有效性。     

Topology optimization of compressor bracket

Topology optimization is very useful engineering technique especially at the concept design stage. It is common habit to design depending on the designer’s experience at the early stage of product development. Structural analysis methodology of compressor bracket was verified on the static and dynamic loading condition with 2 bracket samples for the topology optimization base model. Topology optimization is able to produce reliable and satisfactory results with the verified structural model. Base bracket model for the topology optimization was modeled considering the interference with the adjacent vehicle parts. Objective function was to minimize combined compliance and the constraint was the first natural frequency over 250 Hz. Multiple load cases such as normal mode calculation and gravity load conditions with 3-axis direction were also applied for the optimization, expecting an even stress distribution and vibration durability performance. Commercial structural optimization code such as optistruct of Altair Engineering was used for the structural topology optimization. Optimization was converged after 14 iterations with the satisfaction of natural frequency constraint. New bracket shape was produced with the CATIA based on the topology optimization result. The new bracket from topology optimization result was compared with the traditional concept model and topology optimization base model under 4 load cases. 14 % 1’st natural frequency of new bracket with only 4 % mass increment increased compared to the concept model. 31 % mass decreased compared to the base model without the increment of stress under gravity load cases. It was analyzed thata new bracket would not fail during a vibration durability test, and these results were verified with a fabricated real sample under the durability condition.     

基于模态控制的结构/控制一体化优化设计

先分析了结构主动控制的模态控制。从结构与控制器一体化优化设计的角度出发 ,提出了以结构的质量和控制能量最小化为优化目标、以基频和结构的动响应为约束的联合优化设计模型。并对该优化设计模型进行了一定的简化处理 ,采用改进的拓扑组方法进行结构的集成拓扑优化设计。数值算例的结果表明 ,结构 /控制一体化优化设计是可行且有效的。     

轻型载货汽车减振技术分析及优化设计

对某轻型载货汽车产生的低频振动现象进行了试验分析及优化设计研究.在对轻型载货汽车振动测试分析的基础上,利用有限元仿真和拓扑优化技术对样车进行了固有频率分析和优化设计.通过对样车的振动测试及有限元分析,找到了轻型载货汽车产生低频振动的主要原因:车辆系统的1阶固有频率与车轮动不平衡引起的激励频率接近,导致了车辆系统的共振.分析及试验结果表明,通过优化车架的结构和匹配驾驶室橡胶垫块的刚度能够提高车辆系统的1阶固有频率,明显改善轻型载货汽车产生的低频异常振动现象,提高了车辆的乘坐舒适性.     

拓扑优化方法在产品设计中的应用探索

许多工程活动中,都会遇到零件的形状和性能之间的关系.所要解决的基本问题比较典型:如果给定了零件的大致外形以及零件与周围环境的分界面,那么产品的最优形状是什么.这项任务就是拓扑优化.借助于ANSYS软件对载重汽车车架进行结构优化设计,这对拓扑优化设计理论在产品设计中的应用是一种尝试.