一种面向复杂系统的多学科设计优化方法

目前复杂系统多学科设计优化的工作主要集中在结构设计或设计过程的某个阶段,较少从整体角度对多学科设计优化过程进行研究。文中在前人系统分解研究的基础上,提出了一种基于学科分解的多学科设计优化方法,并建立了具体实现该方法的框架和应用流程。借助多学科设计优化领域主流分析软件Isight为优化平台,通过批处理命令调用各学科专业软件循环运行实现多学科综合设计,利用数据挖掘寻找整体最优解在应用层面实现了复杂系统整体优化设计。最后以某T形波导连接器隔板位置和形状优化设计为例,展示了该优化方法的应用过程和实效性。     

基于有限元方法的轨道吊结构设计优化

基于最优化设计概念,运用通用有限元软件ANSYS的结构优化功能,以轨道吊主梁为优化对象,建立完整三维结构模型,以结构设计关注的主梁翼缘板、腹板几何尺寸为输入参数,以结构强度、刚度、稳定性为响应参数,在起重机设计规范允许范围内,通过分析获得结构最优化模型。结果表明:结构设计优化可合理利用结构部件承载能力、控制结构重量,在满足结构设计合理、安全的前提下,实现产品精益制造,较大地提高企业经济效益。     

基于结构和性能相似度分析函数的机械产品优化设计方法

从结构设计角度出发,分析了主动再制造模式下的产品服役性能要求及其关键零部件的设计需求。通过分析设计参数与服役性能的映射关系,采用支持向量机（SVM）方法构建了性能相似度分析函数。基于结构和性能相似度分析函数,提出了面向主动再制造的零部件结构优化设计方法,实现对再制造时域的优化调整。最后以叶轮零件为例,验证了所提方法的有效性和可行性。     

硅片传输机器人手臂结构优化设计方法

提出一种以硅片传输机器人末端竖直方向上由手臂静变形引起的静偏移为约束、以刚性杆柔性关节系统固有频率为优化目标、以各手臂壁厚为优化参数的硅片传输机器人手臂结构优化设计方法。建立硅片传输机器人刚性杆柔性关节动力学模型,通过系统固有频率分析以及模态分析确定对轨迹精度影响较大的模态为一阶模态与二阶模态;通过分析结构参数对一阶与二阶固有频率影响的灵敏度以及权值选择小臂与末端手臂的质量作为优化参数;建立以手臂厚度为变量、以手臂结构尺寸为约束的手臂挠度模型与末端竖直方向静偏移模型,分析手臂厚度对末端竖直方向静偏移的影响规律并对末端手臂与小臂的厚度尺寸进行优化设计;对结构优化设计前后硅片传输机器人手臂的性能进行对比分析。结果表明:该方法在大幅度降低手臂质量的同时可显著提高硅片传输机器人手臂的一阶与二阶固有频率,大幅度降低了末端竖直方向上的静态偏移及内应力,大幅提高了系统竖直方向上的振动频率。     

复杂构件结构智能优化约束表达与处理新方法

为提高复杂构件结构优化的约束处理效率,挖掘并利用优化过程中的深层次隐性约束知识,提出了一种基于文化算法双重进化思想的复杂构件结构智能优化约束表达与处理新方法。建立了层次式的约束知识表达模型,构建了以任务知识为指导的层次式智能约束处理机制,探讨了优化过程中深层次隐性约束知识的处理流程,实现了优化过程中约束知识的进化并指导了群体空间的不断进化。最后,以挖掘机动臂结构优化为例验证了所提方法的可行性与有效性。     

基于GA的汽轮发电机机座的结构优化设计

针对某型号3MW余热汽轮发电机机座强度、振动可能出现的问题,建立了该机座整体的有限元模型,基于有限元法对其进行强度分析,并基于结构模态理论进行了机座的响应分析;同时,在满足设计、制造的安全性、合理性的前提下,提出了采用遗传算法(GA)对机座结构进行优化的方法,改善了机座的应力分布,并在制造的过程中节约12.2%的材料。通过试制样机,将分析结果与样机试验结果进行对比,优化后的汽轮发电机样机各项参数符合设计标准。     

基于结构参数相关性的液力缓速器优化设计

以液力缓速器为研究对象, 通过计算流体动力学(CFD)数值模拟方法, 借助滑动网格技术对缓速器内部非稳态不可压缩流动进行数值计算。分析了不同叶片前倾角下缓速器内部流场的特性和制动转矩。在最优前倾角的基础上, 基于各结构参数之间的相关性, 分别研究了不同流道腔型、叶片数对液力缓速器性能的影响。当叶片倾角为40°, 截面形状为扁圆形, 转子外环叶片数为40, 内环叶片数为20, 定子叶片数为43时, 模型制动转矩最大, 制动效果最好。     

铝合金复杂薄壁件加工工艺优化

针对一种铝合金复杂薄壁件不易装夹及加工变形大的特点进行了工艺优化,确定了装夹方案及加工参数.该方案相比类似薄壁复杂件常采用高速加工的方案,提出了用普通数控铣加工的详细解决方案,降低了工艺难度,对于类似薄壁复杂零件的加工具有参考意义.     

基于结构优化的客车骨架轻量化设计研究

建立了某大型客车车身骨架FE模型,获取了自由模态参数以及静态弯曲和扭转工况下的刚度和强度特性。基于分析结果,对车身骨架结构形式进行了改进。利用优化设计方法,建立了以客车薄壁梁厚度为设计变量,车身总体积和表征车身刚度的状态量为响应的优化模型。通过对影响车身轻量化和力学性能指标构件的灵敏度分析,筛选了设计变量,重新建立了以车身骨架总体积最小为目标的优化模型,得到了轻量化效果明显的优化方案。最后对轻量化模型进行典型工况分析,与初始模型进行了对比,验证了优化方案的可行性。     

基于选择逻辑的渐进结构优化方法研究

拓扑优化可以大大改善结构的性能或减轻结构的重量。按照渐进结构优化(Evolutionary Structural Optimization,ESO)思想,以应力为约束,提出了基于选择逻辑去除单元的ESO模型。基于ANSYS软件工作平台,阐述了优化软件实现的过程,用APDL命令编制了结构优化程序。用二维结构经典算例验证了方法的可行性,用三维结构优化算例验证了方法的通用性。     

基于全局敏感性分析和动态代理模型的复杂非线性系统优化设计方法

针对复杂非线性系统多参数优化设计不仅计算工作量大,而且难以获得理论上最优解的问题,提出将全局敏感性分析和动态代理模型技术相结合的多参数多目标优化策略。通过基于方差的Sobol全局敏感性分析精简系统模型,确定敏感参数,并构造基于敏感参数的多目标代理模型,采用NSGA-II遗传优化算法得到当代最优解。优化过程中,代理模型和搜索空间不断更新,最优解附近的精度不断提高,直到满足优化迭代的收敛准则。将本方法应用于某汽车乘员约束系统的概念优化设计中,乘员的头部损伤指标(Head injury criterion,HIC)、胸部3 ms伤害指标C3ms和胸部压缩量D分别降低了11.3%、11.8%和9.4%,优化结果和最优解附近的精度都优于静态代理模型与NSGA-II遗传优化算法,取得明显的优化效果,证明了研究方法的有效性。     

基于复杂工程约束的车身梁截面优化设计

通过对车身梁截面设计约束问题的研究,将车身薄壁梁截面形状优化设计问题和截面的材料、厚度等离散参数优化问题耦合起来。以工程设计中的可装配性和可制造性为设计约束,建立车身梁截面多目标优化方法。该方法以车身梁结构性能、成本、质量为目标,通过对梁截面形状进行独特的编码,实现以梁截面的形状、厚度、材料为设计变量的多目标优化模型,该模型采用NSGA-II遗传算法实现了多目标优化问题计算。基于该方法实现相应的软件模块并建立材料参数与厚度数据库。实例证明,该方法既可用于车身概念设计阶段确定满足设计目标且符合工程要求的梁截面形状参数,也适用于详细工程设计阶段对现有车身截面进行局部优化以增加车身刚度和减小部件质量。     

轻质高强类蜂窝夹层结构力学性能分析及优化

创新构形类蜂窝夹层结构相比于传统六边形蜂窝夹层结构,具有更好的力学性能.本文以类蜂窝夹层结构的面板层厚度tf、夹芯层厚度c及胶粘剂层厚度ta为优化参数,采用多目标遗传算法对类蜂窝夹层结构各项力学性能进行优化设计.分析了各厚度参数对夹层结构的力学性能的影响情况,同时探讨了参数协同作用下,各层厚度对力学性能的敏感程度,并根据实际工程应用情况对优化解进行折中选择.研究发现:与优化前的初始值比较,优化后的类蜂窝夹层板在x轴向等效弹性模量增长了8.17％,z轴向等效弹性模量增长了63.08％,xz面内等效剪切模量增长了19.82％,xy面内等效剪切模量减小了26.11％,弯曲刚度增长了45.31％,扭转刚度增大了69.83％,总重量减小了8.26％,较好地改善类蜂窝夹层结构的各项力学性能.该研究为夹层板结构优化设计提供了一定的参考依据,具有重要的创新意义和实用价值.     

基于权重灵敏度分析的结构形状等几何优化方法

提出了基于权重灵敏度分析的等几何形状优化方法。在推导权重灵敏度的基础上,提出了两种形状优化方式,一种是将NURBS控制点和权重同时作为设计变量的全局形状优化,另一种是基于尺寸优化结果再进行权重优化的局部形状优化。通过实例对上述两种形状优化方法的可行性进行了验证,研究结果表明:当结构需要圆锥曲线表达形状时,所提方法能得到更为精确的优化结果。     

基于有限元法的采煤机摇臂力学分析及结构优化设计

在简要分析采煤机摇臂结构的基础上,利用PRO/E和ANSYS软件建立了摇臂结构的有限元模型,并对其受力情况进行了分析.结果发现:随着摇臂结构与水平面之间夹角的不断增大,受力情况越来越恶劣;当两者之间夹角成55°时载荷最大,筋板位置的最大应力超过了材料的许用应力.根据分析结果,对筋板附近的结构进行优化改进,成功将最大应力控制在了材料的许用应力范围以内.该方案的实践应用,有效保障了采煤机摇臂结构运行的可靠性.     

复变量法求解拓扑优化敏度分析研究

研究复变量法对拓扑优化问题敏度分析的有效性和可行性,在现有的经典理论为基础,通过使用无网格伽辽金法离散问题域而求得结构场位移为例,使用O.Sigmund的经典拓扑优化方法,利用复变量来求解出目标函数的导数,然后比较复变量法和直接法某些点敏度分析的误差以及最后拓扑图形的异同,结果显示复变量法和直接法的误差极小,最后通过实际例子结果的总结归纳,能够得出复变量法比较简便易行、精度高的结论.     

基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性（柔顺度）加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;（2）通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。     

结构件数控编程切削参数优化

针对结构件数控编程的切削参数选择和优化问题,首先以经验公式为基础,考虑加工中机床和刀具约束条件,建立以进给量和切速为变量的多目标优化模型并利用遗传算法优化;而后应用Labview虚拟仪器技术,开发了结构件切削加工状态远程监测系统,实现了切削参数的采集、显示、存储及远程传输.通过实例验证了方法的可行性.     

重力势能小车“轨迹法”创新结构优化设计

针对重力势能小车起动力矩不稳定,行驶轨迹不准确的问题,基于Matlab软件的精确解算,给出了四杆机构重力势能小车的近似轨迹的数学描述.基于此“轨迹法”得出了小车后轮优化设计尺寸,同时分析运动过程特性并设计了一种新的变径定比滑轮,通过实际行驶轨迹验证其设计方法可行,提出了一种“轨迹法”结构优化逆向设计新方法.     

用杠杆法对自动变速器拓扑结构优化设计方法研究

以自动变速器的行星齿轮机构外形尺寸和传动效率为优化目标,按自动变速器的实际工作要求,用杠杆法建立目标优化的数学模型和约束方程。为验证优化计算可行性,以国产某型号的自动变速器结构计算为例,用外点惩罚函数法将不等式的约束函数转化为非约束惩罚函数。基于VB系统软件编写优化计算的程序,获得满意优化结果。