一种基于OptiStruct-Abaqus的航空齿轮腹板轻量化设计方法

基于结构优化软件OptiStruct和商用有限元分析软件Abaqus,结合拓扑优化、尺寸优化和有限元接触分析等相关理论,针对航空齿轮轻量化设计问题,创新性地提出了一种齿轮腹板结构轻量化设计方法。以某型航空发动机附件传动齿轮为研究对象,基于OptiStruct软件对腹板结构进行拓扑优化与尺寸优化减重设计,利用Abaqus软件对齿轮进行接触性能计算,给出腹板结构轻量化设计的流程和关键技术。结果表明,在保证强度和传动误差要求条件下,齿轮整体质量减轻了39. 6%,减重效果明显,实现了齿轮轻量化设计目的。     

地铁车载蓄电池箱结构的优化研究

针对近些年列车不断提速,车载设备急需轻量化的问题,对某地铁车载蓄电池箱的结构强度、疲劳强度、模态、3种结构优化方法等方面进行了研究。对拓扑优化变密度法和单目标、多目标优化方法在轨道车辆的应用开展了归纳,提出了基于变密度法的拓扑优化、尺寸优化、形貌优化相结合的优化方法;依托结构优化设计理论及OptiStruct优化软件对箱体进行了优化分析,利用疲劳数据系统对优化后的箱体进行了测试。研究结果表明:该优化方法实现了框架结构减重约31.5%,静强度满足材料许用应力值,一阶固有频率提高到20.7 Hz,疲劳损伤值小于0.7,实现了结构的最大轻量化,优化方法为其他类型车载设备的轻量化设计提供了有益的借鉴。     

余热锅炉旁路挡板门壳体尺寸优化研究

针对余热锅炉旁路系统大型烟气挡板门的结构轻量化及壳体振动问题,对三通烟气挡板门常用薄板加筋结构进行了研究。结合相关规范及实际经验,对烟气挡板门的设计工况进行了分析,提出了以加强筋H型钢截面尺寸为变量的多工况多种分析类型的数学优化模型;运用OptiStruct优化软件,对壳体加强筋进行了尺寸优化分析,主要涉及静力强度分析、模态分析和屈曲分析;结合常用H型钢型号,经过重新计算验证,最终给出了优化后的H型钢截面尺寸。研究结果表明:优化后该结构强度、刚度和屈曲满足规范要求,2阶振动频率由6 Hz降低为5.19 Hz,满足燃机避免共振要求;加强筋H型钢较设计前减重约30 T。     

基于多目标拓扑优化技术的齿轮结构优化设计

为加强齿轮刚度和对外界激励的抑制能力,减少齿轮制造的材料使用率,引入多目标拓扑优化理论并运用OptiStruct对齿轮最佳结构进行设计。首先,依据齿轮的实际工作状况,基于HyperMesh分别以刚度和一阶固有频率为优化目标,以优化前后体积比为约束条件构建齿轮的SIMP优化模型并运用OptiStruct进行求解。然后,采用折衷规划法定义多目标函数,基于层次分析法计算决策矩阵并确定多目标函数的权重因子。最后,运用OptiStruct求解出齿轮结构的最佳材料分布。优化结果表明,优化后的齿轮不仅提高了力学性能和抑制振动能力,还降低了齿轮材料的使用率,实现齿轮结构的轻量化设计。     

基于结构可靠性的控制臂轻量化设计

通过对某轿车控制臂的原模型刚度和强度进行有限元分析,基于结构可靠性要求,以控制臂本体截面尺寸为设计变量,以总体积最小为优化目标,建立控制臂的轻量化设计模型。应用OptiStruct软件进行尺寸优化分析,最终得到满足结构可靠性要求的轻量化设计方案。     

OptiStruct在风洞设备结构优化设计中的应用

本文应用HyperWoks的集成模块OptiStruct对风洞架车转盘的回转台面在给定位移和应力约束条件下以体积作为优化目标进行了轻量化设计,首先通过拓扑优化明晰了结构设计形式,然后通过尺寸优化进行细节优化设计,结构优化后减重达到27%。     

考虑多工况的复合材料车头外罩多目标优化

为了提升地铁车头外罩的静、动态特性,并最大程度发挥复合材料潜在性能、减少材料冗余,达到轻量化的目的,本文基于折衷规划法与层次分析法相结合的方法,利用OptiStruct软件对地铁车头外罩进行多目标优化设计。首先,建立复合材料地铁车头外罩有限元模型,将车头外罩分成5个部件作为优化变量,并进行有限元分析;其次,运用层次分析法确定每个工况的权重系数,并采用折衷规划法定义静态刚度与动态频率的综合目标函数,进行多目标自由尺寸优化;最后,通过尺寸优化、铺层顺序优化,得到最终优化方案。结果表明:优化后的玻璃纤维复合材料地铁车头外罩的轻量化效果明显;同时,车头外罩的静、动态特性均有不同程度的提高。     

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%。     

池边检查主工作平台多目标拓扑优化设计

为满足池边检查主工作平台轻量化设计的要求,采用多目标拓扑优化理论,对池边检查主工作平台进行结构优化设计。首先,运用线性加权法,将结构柔度最小和固有频率最大的多目标拓扑优化模型转化为单目标拓扑优化模型;然后,使用HyperWorks的OptiStruct模块进行粗拓扑优化设计;进一步,在粗拓扑优化的基础进行精细拓扑优化设计;最后,对优化前后主工作平台的动静态特性进行评价分析。优化结果表明,在保持主工作平台动静态特性基本稳定的情况下,主工作平台重量减小了4.9%。     

深孔钻床床身的拓扑轻量化设计

为了实现深孔机床的轻量化设计,运用有限元分析和拓扑优化相结合的方法,对Z8016深孔钻床床身进行了结构优化设计。首先,利用UG对Z8016的床身初始结构进行了三维建模并导入HyperWorks进行模态分析,然后,根据变密度法的基本思想,建立以床身结构的相对密度为设计变量,以体积分数(质量)最小化为目标函数,一阶固有频率为约束条件的拓扑优化模型,并以HyperWorks/OptiStruct软件为工具,对其进行拓扑优化,得到了床身材料的最优分布图,最后根据优化方案对初始结构进行了重构设计。研究结果表明,改进后的床身结构,一阶固有频率基本保持不变,质量减少11.2%,满足设计要求。     

基于拓扑优化的拼焊板后背门轻量化设计

将拼焊板技术应用于汽车轻量化设计,提出了基于拓扑优化的拼焊板轻量化设计方法。通过SIMP(solid isotropic material with penalization)法拓扑优化确定分块数目以及焊缝线位置。再以板件厚度作为设计变量,利用序列二次规划法进行多目标优化。运用该方法对某SUV车型后背门进行了轻量化设计,在保证拼焊板后背门各种刚度和模态性能指标的前提下,达到了轻量化的效果。具有工程实际意义。     

基于HyperWorks的机场某拖车车架结构的轻量化研究

通过UG NX软件对拖车车架结构进行建模,使用HyperMesh进行仿真前处理,并运用HyperWorks中的OptiStruct求解器对原始车架结构进行拓扑、形貌和尺寸优化及可伸缩结构设计,将最终设计的车架结构在不同工况下进行计算和结果分析,并与原始结构进行对比和校核,从而设计出满足要求的机场可伸缩拖车轻量化车架结构。     

链轮结构静/动态多目标拓扑优化及敏度分析

为增强链轮结构的静态刚度及有效抑制外界激励的影响,将多目标理论并结合拓扑优化理论引入到链轮结构的设计。依据链轮的真实工况,分别对其进行静态刚度和动态固有频率最大化的优化设计。基于折衷规划法定义静态刚度和动态固有频率的多目标函数,并以体积分数为约束条件构建链轮结构的SIMP拓扑优化模型,基于OptiStruct的优化准则算法进行多目标优化求解。运用伴随变量法求解多目标函数相对设计变量的灵敏度,为结构整体性能改善及优化提供准确的梯度信息。最后,以链轮多目标优化结果为参考,基于SolidWorks进行二次设计,并对其进行静力学和模态分析用以验证优化前后结果的正确性。该方法对考虑多个目标的工程结构优化设计具有实际意义。     

某发动机EGR阀座的拓扑优化及有限元分析

在某发动机EGR阀座的正向开发、设计过程中,基于HyperMesh软件的OptiStruct求解器对其进行拓扑优化分析,识别出可进行材料削减的区域以及需要加强的薄弱部位,实现轻量化;对拓扑优化后的阀座结构,按照实际连接和受力关系,基于HyperMesh和ABAQUS软件进行了模态和强度分析,验证方案的可行性。     

基于拓扑优化的龙门加工中心立柱轻量化设计

主要针对GSLM3308龙门加工中心的立柱结构展开研究,为提高立柱性能的同时实现轻量化设计,使用OptiStruct软件对立柱进行了拓扑优化。优化模型在静力工况下以柔度最小化为目标,以体积变化量为约束,优化后的模型增加了立柱刚度,同时质量减少了14%。表明利用有限元分析方法在产品设计前期进行一定的结构设计,能够提供较优的拓扑结构,从而提高产品的整体性能。     

混凝土喷浆车转台结构轻量化优化分析

在整体结构尺寸不变的前提下,以关键板厚度为设计变量,所允许结构的最大应力和最大变形为约束条件,以转台结构总重量(体积)最小为目标函数,对转台各板厚度进行优化,通过ANSYS软件的优化迭代计算,得到设计变量(板厚)的非整最优解,再把最优解圆整后进行校核计算,从而得到设计变量(板厚)的圆整最优解,通过减小各板厚度进而达到转台结构轻量化目的。     

增速齿轮箱行星架有限元分析及结构优化

以轻量化设计为目的,在满足强度和刚度的条件下,对增速齿轮箱的行星架进行结构优化设计。首先运用有限元方法对行星架进行强度和刚度分析,并选择对行星架质量有重要影响的结构尺寸为设计变量;然后利用高端网格变形软件建立行星架的网格参数化模型,进而建立以减轻质量为目标的行星架优化模型。最后结合Isight多学科优化软件进行优化分析,得出了合理的行星架轻量化结构尺寸。对优化后的行星架进行模态分析,其固有频率完全避开了啮合频率,确保不会发生共振现象。     

高速集装箱平车底架结构优化设计

以某型高速集装箱平车底架为研究对象,在HyperMesh中建立其有限元模型,参照相关标准确定底架在典型工况下的载荷及约束条件,对其进行静力分析.在OptiStruct模块下,依次采用尺寸优化和拓扑优化方法进行多工况优化分析,在保证底架结构性能的前提下,实现了结构轻量化.     

基于多目标优化理论的空间反射镜加强结构轻量化设计

空间望远镜的分辨力与反射镜口径成正比,但反射镜口径的增大导致其质量以三次方的比例增重,以致镜面变形恶劣和发射成本增加。针对此问题,文中基于多层次优化和多目标优化理论对反射镜进行轻量化设计。首先建立反射镜的几何模型并分析载荷工况,针对反射镜多工况下的参数要求,以反射镜轴向重力工况下的刚度最大和低阶固有频率最大为目标,用折衷规划法和平均频率法建立多目标优化的目标函数进行多目标拓扑优化;根据优化结果进行反射镜的加强筋布置;最后以加强筋的宽度为变量,进行多目标尺寸优化实现加强筋的尺寸寻优。计算分析结果表明:优化后反射镜结构在满足原有性能要求的基础上质量减少了7.2%,实现了轻量化设计。     

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。