基于正交试验的电工级氧化镁改性粉配比优化

为改善电工级氧化镁普粉电性能的不足,使改性后电工级氧化镁粉更加适配电热管制造行业,通过加入白炭黑、电工级氧化镁用添加剂和硅油的方法对普粉进行改性,采用正交试验法设计25组配比组合进行试验。通过极差法分析单一指标(冷态绝缘耐压强度、泄漏电流和热态绝缘耐压强度)下的最优配比,并利用矩阵分析法实现多目标综合分析优化,得到优化后的组合配比,运用指标值预估法预测最终配比的电工级氧化镁改性粉的电性能。结果表明：以冷态和热态绝缘耐压强度为指标时,白炭黑掺量为主要影响因素;以泄漏电流为指标时,硅油掺量为主要影响因素,其次是电工级氧化镁用添加剂掺量。多目标优化选择的改性粉配比为白炭黑掺量0.25%(质量分数,下同),电工级氧化镁用添加剂掺量2%,硅油掺量0.25%。最终配比电工级氧化镁改性粉电性能预估值为冷态绝缘耐压强度3365 V,泄漏电流0.112 mA,热态绝缘耐压强度2399 V。     

复合材料支撑机翼撑杆位置与结构综合优化设计

针对复合材料支撑机翼,发展了一种撑杆位置和结构综合优化设计的方法。在两种严重设计载荷状态下,考虑气动弹性效应和复合材料铺层结构的不确定性,以结构质量最小化为目标,以翼尖垂直变形、翼尖扭角、撑杆屈曲稳定性、颤振速度和强度要求为约束,在一个优化过程中实现了撑杆位置和结构参数的同步优化设计和鲁棒优化设计。结果表明,翼尖垂直变形和颤振速度要求对于撑杆位置影响明显,最优的撑杆展向位置都靠近翼根一侧,同时撑杆的总体稳定性成为同步优化设计的关键约束。鲁棒优化设计得到的撑杆位置和结构参数的最优组合对铺层结构的不确定性摄动具有良好的抗干扰性,鲁棒优化得到的最优撑杆位置会随着设计变量摄动范围而变化,翼尖垂直变形成为鲁棒优化设计的关键约束。     

考虑载荷不确定性的多材料结构稳健拓扑优化

传统的拓扑优化设计通常基于单材料与确定性条件,往往难以兼顾结构性能的稳健性。针对实际工程中载荷不确定性问题,研究多材料结构稳健拓扑优化设计方法。基于有序各向同性微结构材料惩罚模型法(Ordered-Solid Isotropic Microstructures with Penalization, Ordered-SIMP),进行多材料插值模型表征。构建载荷概率分布条件下结构柔度均值与标准差的加权目标函数,辅以体积约束。针对载荷满足随机场分布时,采用Karhunen-Loève展开将载荷随机场变换为有限个不相关的载荷随机变量加权和,并借助稀疏网格数值积分方法,将多材料结构稳健拓扑优化转化为求解一组多工况加权多目标确定性拓扑优化设计问题。通过数值算例验证所提方法的有效性与优化结果的稳健性。结果表明:针对不同材料组合方案,均能有效获得良好的多材料拓扑构型;与确定性设计相比较,稳健设计具有不同的材料布局方案,且结构性能更加稳定。     

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%。     

基于组合优化策略的热封机构设计

目的通过组合优化策略对热封机构进行结构优化设计。方法建立热封机构有限元参数化模型和多目标优化模型,通过动力学有限元分析获得热封机构结构强度薄弱环节,并采用最优拉丁超立方实验设计对影响热封机构结构强度的主要参数进行研究,分析参数与应力位移之间的响应规律,构造基模型对热封机构进行基于组合优化策略的结构优化设计,取多岛遗传算法和序列二次规划法组合的优化策略逼近最优解。结果组合优化过程中的校正决定系数接近1,模型的结构应力最大值和位移最大值均降至许用范围内。结论对热封机构优化设计采用组合优化策略可行,结果可信度高,效果明显。     

采用等效有限元模型的复合材料机翼结构优化

在机翼设计过程中,将等效有限元模型(EFEM)方法应用于考虑静力学和动力学要求的机翼结构优化。提出了"三步走"的结构优化策略,将一个多变量的复杂优化问题转换为一系列少变量的简单优化问题,对某支线客机的复合材料机翼进行了优化设计。首先以位移、静强度和颤振速度作为约束条件对机翼复合材料铺层比例进行优化;然后以静强度和结构稳定性作为约束,以最小化结构质量和结构效率作为优化目标,对各翼肋之间的加强壁板进行优化设计;最后再以位移和颤振速度为约束,对机翼结构总体刚度进行优化设计。结果表明:EFEM方法具有快速建模和计算量少的优点,采用"三步走"优化策略具有更高的效率,适用于初步机翼结构优化设计。     

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。     

最小偏差法在机械多目标优化设计中的应用

提出了处理多目标问题的最小偏差法,并将其应用于机械多目标优化设计。以流体动压滑动轴承多目标优化设计为例,建立了以摩擦系数最小、发热量最小和承载能力最大为目标函数的多目标优化设计数学模型,根据最小偏差法原理构造统一目标函数,利用改进遗传算法对该问题进行了优化设计。算例整个求解过程和结果表明,该方法既可以避免人为因素的影响,又能够获得比常规设计更佳的设计参数,同时也验证了所提方法对于解决机械多目标优化设计问题的有效性和可行性。     

基于复合优化方法立式数控加工中心的多目标优化设计

为实现加工中心动静态性能不低于优化前性能,达到整机重量最轻的要求,本文提出了一种复合优化方法来研究多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计。采用有限元分析和实验模态测试方法分析各大件动态性能,并验证了有限元模型的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,得出各大件的最大变形及应力等。以柔度为目标,采用变密度法拓扑优化设计立柱结构的外形框架;以固有频率为目标,基于元结构的可适应性动态优化方法设计加工中心的筋板结构;以固有频率和质量为目标,基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最优尺寸。最后将优化后的各大件进行整机装配,分析校核整机动静态性能。分析结果表明,优化后的整机在保证加工中心动静态性能的条件下,整机质量从12749kg减少到12127kg,减重达到4.9%,达到了整机的优化设计要求,说明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法

将稳定性问题引入传统变密度法中,可实现包含稳定性约束的平面模型结构拓扑优化。以单元相对密度为设计变量,结构柔度最小为目标函数,结构体积和失稳载荷因子为约束条件建立优化问题数学模型,提出了一种考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法。通过分析结构柔度、体积、失稳载荷因子对设计变量的灵敏度,并基于拉格朗日乘子法和Kuhn-Tucker条件,推导了优化问题的迭代准则。同时,利用基于约束条件的泰勒展开式求解优化准则中的拉格朗日乘子。通过推导平面四节点四边形单元几何刚度矩阵的显式表达式,得到了优化准则中的几何应变能。最后,通过算例对提出的方法进行了验证,并与不考虑稳定性的传统变密度拓扑优化方法进行对比,结果表明该方法能显著提高拓扑优化结果的稳定性。研究结果对细长受压结构的优化设计有重要指导意义,对结构的稳定性设计有一定参考价值。     

基于元结构的螺杆转子磨床床身动静态特性分析与优化

摘 要：螺杆转子磨床床身是关键的承载大件,其动静态性能的好坏将直接影响整机的加工精度和稳定性。为实现床身的快速动态优化设计,首先基于元结构理论,使用ANSYS软件仿真分析了床身筋格元结构各主要参数对其动态特性的影响。在此基础上,以提高床身低阶模态固有频率和降低床身重量为目标,对床身的结构参数进行优化,同时通过静力分析验证了优化方案的可行性。优化后,床身低阶固有频率得到了较大幅度的提高,其中一阶固有频率提高了22.3%,床身的重量下降了8.39%,同时静刚度也有明显提高,改善了床身的动静态特性,节约了制造成本。该方法对其他类似关键零部件的动态优化设计具有一定的借鉴意义。     

Stewart式六维力传感器轻量化设计

空间复合力测量是空间感知技术的重要发展方向之一。六维力传感器作为主要的空间复合力测量装置,被广泛应用于火箭发动机推力测试、航天器对接等领域。目前,轻量化已成为六维力传感器的主要研究方向之一,但由于其设计指标多且各项指标间存在相互制约,故采用理论推导、数值仿真及实验验证相结合的方法进行研究。首先,利用螺旋理论建立Stewart式六维力传感器在理想条件下的力映射模型,通过求解综合性能目标函数来确定其各向同性度理论最优时的结构参数。然后,利用ABAQUS有限元分析软件构建Stewart式六维力传感器仿真模型,并对其初始样机的质量、刚度、强度和灵敏度进行了详细分析;在此基础上,分析了上、下加载盘主要结构参数对传感器质量、刚度和强度的影响,进而对加载盘结构参数进行了优化并设计了一种具有正四面体特征的半球形减重结构,实现了传感器的轻量化设计。最后,对优化后Stewart式六维力传感器的性能进行了仿真分析和实验验证。结果表明,基于多目标参数优化结合数值仿真、实验验证可有效提高设计效率和降低设计成本;所设计的减重结构可有效改善Stewart式六维力传感器的质量分布和提高其质量利用率,优化后传感器的质量减小了17.65%且综合性能优异。研究结果可为六维力传感器的轻量化设计和综合性能优化提供参考。     

3-URPR并联机构的逆运动学与可达工作空间分析

目的 通过对推动臂结构尺寸进行优化设计,得到在提高推动臂工作性能和力学性能的前提下减小质量的最优方案。方法 以推动臂的质量为优化目标,以推动臂受到的压力大小为约束条件,以推动臂的结构尺寸为优化设计参数,建立优化的数学模型。应用Workbench的多目标驱动优化工具结合多目标遗传算法的理论对推动臂的结构尺寸进行优化设计。结果 通过优化分析,结果表明,优化后模型的等效应力极大值减少了23.08%,结构总质量减少了7.42%。结论 通过对不同结构尺寸在其约束条件下的研究分析,达到了最优结构尺寸下推动臂工作性能和力学性能更优、部件总质量更小的目的,为以后粘箱机的结构优化设计提供了思路和参考。     

基于流固耦合的钢桶跌落仿真及结构优化

目的 为了实现钢桶轻量化设计,对考虑流固耦合的钢桶进行跌落仿真分析,在保证其抗跌落性能的条件下,对钢桶关键结构进行优化设计。方法 以210 L钢桶为例,利用Ansys Workbench建立有限元模型,进行垂直跌落、棱跌落和角跌落等3种工况下的仿真分析;建立优化设计模型,进行多目标优化设计。结果 得到钢桶在3种工况下的总变形量和等效应力情况,并发现钢桶跌落时的薄弱位置位于底部和环筋处,且在角跌落工况下受到的总变形量和等效应力最大;通过改变钢桶的壁厚和环筋距离进行多目标优化设计,得出优化设计点,当壁厚设置为1.1 mm,环筋位置对称且均为233.17 mm时,能够减小钢桶的重量并保证其抗跌落性能。结论 通过对钢桶进行跌落强度流固耦合仿真分析和多目标优化设计,获得满足结构强度、减少材料用量的优化结构,降低了包装成本,为包装产品轻量化设计提供理论支持和设计参考。     

Topology optimization of structures under multiple loading cases with a new compliance–volume product

This article proposes a new topology optimization method for the design of structures under multiple loading cases. The design is formulated as a multi-objective optimization problem by minimizing a new compliance–volume product, which optimizes the overall stiffness and volume simultaneously to avoid the empirical decision on design constraints and obtain an even lower structural volume. A normalized exponential weighted criterion (NEWC) method is included in the multi-objective optimization problem for the capture of the entire Pareto frontier. A weight evaluation method, in terms of the fuzzy multiple-attribute group decision-making (FMAGDM) theory, is incorporated in the problem to evaluate the weights of the objectives and guarantee the optimal design in an acceptable level. The solid isotropic material with penalty (SIMP) method is used to represent the dependence of elemental densities on material properties. Three typical numerical examples are employed to show the effectiveness of the proposed method.     

基于响应面法的无轨伸缩式门式起重机轻量化设计

依赖于传统经验方法的无轨伸缩式门式起重机结构设计往往趋于保守,材料浪费严重,为了充分发挥材料的承载性能,有必要对它进行优化分析。对无轨伸缩式门式起重机结构进行优化设计时,针对非线性接触模型计算不收敛与计算效率低等问题,提出以节点耦合模型代替接触模型来构建响应面近似模型,并将近似模型与多岛遗传算法相结合对结构参数进行优化。以某无轨伸缩式门式起重机各构件截面尺寸为初始设计变量,以结构强度、刚度、自重为模型响应,通过调用Isight平台中最优拉丁超立方设计方法产生设计变量样本点,再由试验设计（design of experiment,DOE）模块调用有限元分析软件ANSYS完成样本点模型仿真以筛选出对响应影响较大的设计变量。利用优选后的设计变量构建响应面近似模型,以结构强度和刚度为约束条件,门式起重机结构质量最轻为优化目标,采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明：在保证结构性能的前提下,优化后门式起重机质量减轻23.4%,轻量化效果明显。所提出的优化策略可较快获得全局最优解,减少了计算量,为无轨伸缩式门式起重机结构改进提供了理论依据。     

基于最终层失效的复合材料舱体稳健性协调优化

传统可靠性设计难以符合现代设计要求,对舱体进行稳健性优化设计,可提高其综合可靠性。基于基体破坏和纤维断裂两种失效模式,采用验算点法求解复合材料单层可靠度。基于最终层失效假设,提出把结构看作由串联子系统组成的并联系统的思想,结合材料刚度比率退化准则和单层可靠度理论,采用概率逐步失效分析方法,计算出主要失效链,从而得出结构的失效概率。复合材料舱体设计变量复杂,提出二级优化方法思想：一级为系统级布局优化,对加强筋截面形状、位置确定等参数进行优化;二级为子系统级尺寸优化,对筋截面尺寸、复合材料各铺层厚度等参数进行优化。采用自适应随机搜索遗传算法,以复合材料舱体质量最小为目标函数,以可靠度要求为约束条件,采用稳健性协调优化方法,对存在初始缺陷的复合材料舱体进行稳健性优化,为复合材料结构优化设计提供参考。