激光精跟踪快速控制反射镜结构优化与分析

目的对快速控制反射镜进行结构优化与处理,获得满足设计要求的轻量化结构。方法选取合适的加工材料,建立以结构柔度最小为目标的优化数学模型进行拓扑优化,对优化后提取的结构模型进行处理和有限元仿真分析。结果通过优化与分析,确定了反射镜最终结构,模拟分析结果表明,镜面最大变形量为2.7 nm,基频为4130.3 Hz,均满足设计要求。优化前后相比,结构质量降低了57.8%。结论优化结果较好满足了设计要求,对于类似结构的设计具有一定的参考作用。     

基于结构与材料参数的S形薄壁梁抗撞性与轻量化研究

以车身前部吸能部件前纵梁结构中常见方形截面S形薄壁梁为研究对象,探讨了如何通过合理引入诱导槽和加强筋设计提高其抗撞性,及基于材料属性实现轻量化设计。根据诱导槽位置分布、个数和加强筋分布的不同建立8种有限元模型,通过仿真优选了两种吸能特性较好的结构模型;在此基础上,以质量为约束,结构几何尺寸为设计变量,提高抗撞性为目标,对其中带有加强筋的S形薄壁梁进行多目标优化,并基于高精度代理模型快速获得了最优设计参数;对比碰撞力-位移仿真曲线与理论曲线,验证了优化模型的有效性;通过将加强筋板的材料改为镁铝合金,进一步实现了轻量化设计。研究成果为实现薄壁梁结构的抗撞性优化与轻量化提供新的解决方案。     

碳化硅反射镜轻量化结构优化设计

本文根据某型号碳化硅主反射镜的设计要求,对比了扇形、三角形、六边形轻量化孔对镜体静态、动态性能的影响,选择了综合性能较好的三角形轻量化结构方案,利用有限元方法进行参数建模,将对镜体力学性能和质量影响较大的镜体厚度、面板厚度、筋厚度等结构参数作为设计变量,运用零阶优化方法对镜体结构进行优化设计,得到了轻量化程度高、镜面变形误差完全满足设计要求的碳化硅反射镜体。     

周转铝箱的轻量化设计

目的 以某周转铝箱作为研究对象,通过有限元分析方法和正交试验设计对周转铝箱进行轻量化设计,以解决结构强度设计过剩的问题。方法 利用有限元分析软件Ansys Workbench对周转铝箱进行堆码工况的仿真分析,通过2个失效准则对分析结果进行评价,基于正交试验设计优化方案,通过Matlab软件对优化方案进行数学模型的建立及计算。结果 通过仿真分析,第1阶模态载荷因子为6.98,基于失效准则,周转铝箱的安全余量较大。根据极差分析,以箱体自身质量为唯一指标,确定了周转铝箱箱体侧柱厚度尺寸对箱体自身质量的影响最大,继而通过Matlab进行数学模型的建立以及计算,轻量化方案在满足工况使用条件的同时箱体的自身质量减少了9.88%。结论 轻量化设计后的周转铝箱符合强度失效和稳定失效2个准则,且满足实际工况使用条件,进一步说明采用正交试验法和有限元分析法进行轻量化设计的方案是可行的,实现了成本的减少,也提高了材料的利用率。     

斜纹机织碳纤维/环氧树脂复合材料性能及其在电动汽车轻量化设计中的应用

采用均质法和单胞有限元法, 研究了斜纹机织碳纤维/环氧树脂复合材料的三维本构模型, 并应用于轻量化电动汽车结构的设计计算中。通过光学显微镜观测获得T300碳纤维/环氧树脂复合材料层合板细观结构几何参数, 依据参数建立了代表体积元的几何模型; 结合有限元分析方法与层合板理论对代表体积元模型进行受力分析, 获得了复合材料三维本构模型参数, 并运用单向拉伸与三点弯曲物理试验对所建立的本构模型进行了验证; 通过二次开发, 把该三维本构模型用于轻量化电动汽车结构件的设计中, 并根据汽车安全测试标准对所设计的结构进行了强度校核。研究表明: 运用所建立的三维材料本构模型进行的仿真实验结果与真实拉伸和弯曲试验结果相吻合, 误差分别为4.04%和7.79%, 可用于轻量化结构的设计; 研究开发的电动汽车, 轻量化效果明显, 在满足车身强度要求下整车质量减轻了12%。      

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。     

馈口位置及负载对微波加热效率的影响及其优化

利用HFSS软件仿真微波腔馈口位置、馈口长度及负载厚度对微波加热效率的影响。通过数值模拟仿真获得一系列反射功率最小、可用于微波反应腔加热效率优化的理论依据;以此为基础,重新选取优化后的馈口位置及负载厚度,对垂直馈口和平行馈口两种微波反应器进行模型仿真。结果表明,优化后的加热效率分别达到了95%和91%。     

水囊组合件空投跌落冲击仿真及优化设计

目的 确定空投水囊的厚度以及提高空投水囊成功率。方法 基于ANSYS/LS＿DYNA有限元分析软件,建立聚氨酯（TPU）水囊组合件三维仿真模型,对其空投跌落冲击3种类型地面过程进行仿真,优化囊体厚度,分析地面倾斜时水囊组合件的跌落冲击情况,并通过与已有试验数据的对比验证了该仿真方法的有效性。结果 仿真计算表明,3mm厚度的TPU水囊可以抵御水囊组合件的跌落冲击而不破损。水囊组合件跌落冲击混凝土、沙地和草地时,水囊所受冲击应力集中在下层水囊的两侧中部,沙地对水囊缓冲最为明显,所受应力大约是混凝土地面的1/4;在混凝土地面倾斜时,水囊所受冲击应力会相应增加,为了保证该水囊组合件的安全空投,地面倾斜角度不应超过12°。结论 利用有限元仿真分析空投水囊跌落冲击是可行、有效的,可应用于空投水囊的安全性设计与评估。     

大口径望远镜三镜结构设计及优化

第三反射镜(简称三镜)在大口径地基光电望远镜系统中作为关键部件之一,其面形精度直接影响着望远镜光学系统成像质量.为准确设计出符合工程实际的三镜结构,从三镜镜体几何尺寸、镜坯材料、轻量化孔结构形式、支撑方式等方面进行分析,并借助于有限元工程分析软件ANSYS,MSC.Patran/Nastran对三镜的支撑点位置、支撑孔壁厚度、镜面面板厚度、镜子外边框厚度、背部肋板厚度以及镜子外边缘倒角尺寸等镜体结构参数进行优化分析,得到了使镜面面形最优的镜体各结构参数.优化后三镜镜面变形RMS值为8.98 nm、PV值为38.03 nm,均满足光学设计要求.研究成果可为同类光机系统设计提供参考.     

基于多学科多目标的车架结构轻量化设计

针对某载货汽车车架的性能分析与轻量化问题，首先基于有限元方法建立车架离散化模型，对其进行弯曲刚度分析和弯曲刚度试验，验证有限元方法的正确性。然后对车架进行自由模态分析，获取其低阶模态频率。再建立整车刚柔耦合动力学模型，提取车架在转弯、制动和上跳工况下的载荷，并应用惯性释放方法对其进行强度分析。最后基于集成平台对车架主要部件厚度值进行多学科多目标优化设计，分析结果表明优化之后车架静动态性能均符合设计要求，其总重量降低9.3 %，并且通过了整车道路可靠性试验的验证，实现结构与性能最优，轻量化效果比较理想。     

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。     

火箭筒托架零件一体化成形分析及轻量化设计

目的 研究某型号火箭筒托架零件一体化成形及工况载荷下的结构轻量化设计方法。方法 提出了基于3D打印制造的铝合金一体化快速成形方法,并结合有限元分析和理论公式,得出了一体化托架在冲击载荷作用下的结构强度评估方法,进行了变形、应变及应力分析,在此基础上对托架进行了轻量化优化设计。结果 在满足强度要求的情况下,一体化托架相对传统成形整体质量减轻了153.535g,减少了41.76%,效果明显。结论 实现了托架的一体化成形,完成了托架的轻量化设计,研究结果为火箭筒零件一体化成形及冲击载荷下结构的轻量化设计提供了参考。     

正交试验法优化矿泉水瓶瓶体凹槽结构的形状

目的研究矿泉水瓶体凹槽结构形状的优化设计。方法在有限元显式分析软件LS-DYNA中,通过不同厚度分布的实常数,建立厚度可连续变化的瓶体壳模型。针对影响瓶体垂直载压能力的凹槽形状参数,包括凹槽内高度、深度以及拔模角度,设计正交试验。在正交试验的基础上,利用单因素试验优化外部拐角处的倒角半径。结果通过正交试验的极差分析,确定凹槽内高度2 mm,槽深度1 mm,拔模角度2°为最优方案。在单因素试验的基础上,综合美学和生产方面的考虑,确定倒角半径1 mm为最优方案。结论以矿泉水瓶体垂直载压能力所受影响最小为目标,得到了凹槽形状参数的最优组合方案,并为其他参数的优化提供了一种方法。     

Geometrically nonlinear composite beam structures: optimal design

This paper applies the formulation and the finite element analysis and sensitivity analysis model developed in a companion paper to the optimal design of various geometrically nonlinear composite laminate beam structures. The element design sensitivities are imbedded in the finite element code and the global sensitivities are interfacing the analysis with a nonlinear programming optimizer. Laminate thickness and lamina orientations are considered as design variables. Mass, stiffness and deflection are used as objectives or combined as multiobjective functions. The nonlinear critical load or the Tsai-Hill stress failure index, are used as constraints. Postcritical domain behavior allows the advantageous substitution of the critical load constraint by a displacement constraint.     

单层和双层足尺度海底管道抗冲击性能分析

海底管道在服役过程中除了受到常规荷载作用外,还会受到各种意外的冲击载荷作用而失效.为了研究承受横向冲击载荷作用下海底管道的动态特性,对三个单层和一个双层的足尺度管道进行了落锤冲击试验,获得了横向冲击作用下管道的破坏形态、冲击力时程曲线、位移时程曲线及应变时程曲线.建立了分析冲击荷载作用下海底管道失效过程的有限元模型,并...     

Configuration design of a lightweight torpedo subjected to an underwater explosion

The response of a lightweight torpedo when subjected to an underwater explosion (UNDEX) is an important criterion for multidisciplinary design. This paper investigates the effect of structural stiffeners on the performance of a lightweight torpedo. The finite element package ABAQUS was used to model the UNDEX and the fluid–structure interaction (FSI) phenomena, which are critical for accurate evaluation of torpedo stress levels. The pressure wave resulting from an underwater explosion was modeled using similitude relations and it was assumed to be a spherical wave. Various explosive weights and explosion distances were explored to determine the critical distance both for an un-stiffened and a stiffened torpedo. Once it was established that the stiffened torpedo performed better under explosive pressure loads, various configurations were studied to determine the optimal number of ring and longitudinal stiffeners. A final configuration was obtained for the torpedo that had minimum weight and was least sensitive to small manufacturing variations in the dimensions of the stiffeners. This paper presents details of the torpedo and fluid models and the finite element analysis method for FSI.     

集中荷载作用下弹性扭转约束层合浅拱的非线性面内稳定

该文以3D打印材料ABS-M30作为试验载体,开展了拱脚沉降下3D打印拱的非线性失稳研究。基于最小势能原理推导了失稳临界荷载的解析表达式,得到了拱脚竖向和水平变位下拱径向位移沿拱轴线的分布图;设计了可控制拱脚沉降的加载系统,试验得到了拱在加载过程中的平衡路径,并通过有限元模拟对解析与试验结果进行了验证;分析了拱脚沉降量、矢跨比和长细比对3D打印拱失稳临界荷载的影响。研究结果表明：非线性失稳临界荷载随着拱脚沉降量的增大而减小;在拱脚沉降量一定的前提下,非线性失稳荷载随着矢跨比的增大而增大,随着长细比的增大而减小,且长细比的影响最为显著。     

仿甲虫鞘翅轻质结构及其参数优化设计

为研发新型轻质结构,在对甲虫鞘翅断面微结构进行观测的基础上,分析了甲虫鞘翅的微观结构特征,并据此设计和制备了基于碳纤维/环氧树脂复合材料的仿生轻质结构。对仿生轻质结构进行准静态压缩试验,同时利用有限元法对仿生轻质结构进行压缩性能分析,并将分析结果与试验结果进行对比,证明了有限元分析的正确性和可靠性。在此基础上进一步利用响应面法对仿生轻质结构进行参数优化设计。结果显示:压缩载荷下仿生轻质结构的最大承载力为18 455.00N,较优化前结构的提高了26.4%,压缩比强度为47.43 MPa/(g·cm-3),优化效果显著。     

条烟配送笼车的结构强度分析与轻量化设计

采用ADAMS分析软件对条烟配送笼车在主副笼叠加运输方式中的载荷进行了分析,得到主笼车在设定条件下的最大载荷值。在此基础上,利用有限元分析软件对主笼车进行应力和形变计算,结果表明,现有的笼车强度和刚度均有较大的设计裕量,可对其进行轻量化设计。按照方管设计的国家标准,通过减薄钢管壁厚进行了减量化设计,并对其进行了应力和形变分析。对比分析结果可知,对笼车开展的轻量化设计,不仅可以满足现有条烟配送运输要求,同时节约了笼车的制造成本,减轻了配送运输过程中的空载质量,有效地提高了运输效能,减小了运输能耗。