汽车座椅骨架构件布局设计方法

传统的汽车座椅骨架构件布局依靠经验设计,不仅设计效率低,而且得不到性价比最优的结构.以某轿车后排座椅板管结构骨架为研究对象,基于结构拓扑优化设计技术,提出了座椅骨架构件布局设计方法.首先,根据骨架外观形状及尺寸要求,确定设计区域,并根据实际的安全带加载工况,建立设计模型;然后,以结构静刚度最大为优化目标,采用变密度法对结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果,提出2种不同的布局方案;最后,根据有限元分析结果确定最终的设计方案,并对优化设计结果进行行李箱后撞的安全性分析.研究结果表明,在骨架质量下降1.92%的情况下,整体静态刚度提高19.0%,并满足动态碰撞的安全性要求.采用所提出的设计方法,可以得到最优座椅骨架构件布局结构.     

基于王莲叶脉分布的机床横梁筋板结构仿生优化

利用结构仿生的方法对Lin MC6000型龙门加工中心横梁的筋板结构进行了优化设计.通过对王莲叶脉构型规律的分析,提出了3种仿生构型并利用Optistruct软件进行了有限元仿真验证.结果表明,相对于传统的平行均布筋板,最优仿生型筋板的结构比刚度提高了17.36%,前4阶固有频率平均提高7.39%,体现了材料的优化分布和最大结构效能,并总结出横梁内部筋板设计的仿生学规律.这为突破机床构件的传统设计思路、实现结构轻量化提供了一种新方法.     

液压挖掘机斗杆结构的拓扑优化设计

为了提高斗杆的刚度并减小其质量,以BD85W型液压挖掘机的斗杆为例,应用变密度拓扑优化方法,以刚度最大为目标,以体积分数为约束,对斗杆结构进行优化设计,得到了液压挖掘机斗杆的新结构.斗杆的新旧结构对比表明:斗杆新结构体积减小18.22%,刚度增大6.58%,达到了预期的刚度要求.拓扑优化方法有利于提高产品的系列化程度和设计水平,能为挖掘机斗杆的结构分析和优化设计提供参考.     

基于临界刚度的复合材料筋材多变量优化设计方法

以船舶结构优化设计为背景,针对目前结构安全余量过高导致加筋板板筋刚度过匹配现状,提出板筋刚度匹配临界刚度的概念,推导了板筋刚度比关系式。以T型复合材料筋材为对象,建立优化模型,基于Isight软件平台对设计变量进行灵敏度分析,简化设计变量。采用多岛遗传算法对筋材开展多变量优化设计,结合工程实际在筋材优化结果基础上确定设计方案,并开展复合材料加筋板力学性能试验研究,验证了多变量优化设计方法的可行性。研究表明:利用提出的加筋板板筋刚度比关系式,可以指导板筋刚度匹配设计;对T型复合材料筋材进行优化设计时,提升腹板高度对优化目标影响最明显;在等刚度约束前提下,提出的T型筋材优化设计方案能够较好地实现优化目标,同时保证了较优的经济性。      

双材料自由阻尼层结构拓扑优化设计方法

目的 在不减小板壳结构动刚度的前提下有效提高板壳结构的抗振性能,提出一种板壳阻尼复合结构拓扑优化设计.方法 以结构模态阻尼比为目标函数,以某阶固有频率不小于设定值为约束条件,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度表达式,采用SIMP插值函数和移动渐近线法求解优化数学模型.结果 研究表明,文中提出的双材料阻尼层结构相比传统单材料阻尼层结构的振动响应明显减小,同时适当改变设计目标和约束条件,可满足不同的工程应用需要.结论 通过在宏观上对高刚度低阻尼材料和低刚度高阻尼材料的分布进行了设计,优化后的结构兼顾低刚度高阻尼材料的高阻尼特性和高刚度低阻尼材料的高刚度特性,实现了结构高刚度高阻尼的设计.     

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。     

考虑装配变形的精密机床床身优化设计

为了减小装配变形,提高机床装配精度,提出了一种考虑装配变形的机床床身优化设计方法。首先,分析了机床装配变形部位和床身装配变形机理,研究了影响机床床身装配变形的因素及其影响规律;其次,基于响应面模型和遗传算法,提出了考虑装配变形的机床床身多目标优化方法,给出了优化设计流程;最后,以经典的机床床身为实例,以床身结构参数为设计变量,以床身质量、装配变形幅值、最大静变形量最小和一阶固有频率最大为优化目标,对床身进行优化设计。结果表明：床身长度和宽度方向的筋板数量和筋板厚度均对装配变形有重要影响;床身优化后,可有效减小装配变形,提高装配精度,同时使床身的质量更小、刚度更大和动态性能更优。研究结果不但为机床基础大件的结构分析与优化设计提供了参考,也为其他类似设备的多目标优化提供了理论依据,具有重要的工程实践价值。     

电流变夹层振动控制和拓扑优化研究

为电流变夹层板设计了半主动的变刚度控制算法,并对其进行了夹层结构的拓扑优化。首先,建立了电流变夹层结构的动力学模型,基于开关控制策略发展了适用于ER夹层板的模态控制算法。随后,构造了电流变夹层结构的单阶模态和综合模态的频率变化率为优化目标函数,再采用粒子群优化方法,以这两个函数为目标,对结构进行了拓扑优化,并且得到了一定材料使用率限制下相应的拓扑布置构形。最后,采用变刚度控制的等效阻尼比和多种激励下的时域响应对比两种手段对拓扑优化的结果进行了验证,数值算例证实了该拓扑优化结果以及变刚度控制的有效性。     

考虑静动力学特性的材料结构一体化多目标优化设计

针对复合材料微结构的内部构型和宏观排布的可设计性,以结构基频最大和柔度最小加权系数为目标,将微结构设计和多尺度计算结合,建立了考虑静动力学特性的材料/结构一体化多目标优化设计模型,实现了相应的算法和算例.方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量,采用RAMP(Rational Approximation ofMaterial Properties)方法对密度进行惩罚,利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系,通过规一化目标函数有效避免了不同性质目标函数的量级差异.通过算例,获得了静动态权重系数对结构拓扑构型和目标函数(宏观结构的柔度和基频)的影响规律.研究结果表明：该方法是有效的,可作为对轻质结构进行静动态多目标优化设计的一种新方法.     

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。     

Optimal design approach for eco-efficient machine tool bed

An optimal design approach of machine tool bed with the aim of obtaining an eco-efficient machine structure is studied. The suggested method includes three phases. The first is the layout design optimization of stiffener plates inside bed. In order to improve the design efficiency, a simplified design model called fiber model is suggested, and the layout of the stiffener plates inside bed is optimized by changing a 3-dimensional topology design optimization problem to a 2-dimensional problem. The second is the detailed sizing optimization of stiffener plates and supporting blocks under the structure based on the initial optimal model resulted from phase one. Finally, a topology design optimization process is implemented to obtain a reasonable distribution of manufacturing holes in bed structure. By considering the manufacturing requirement, an optimal bed structure is obtained. The validity of the suggested method is confirmed by a typical cylindrical grinding machine tool bed, and the result shows that the suggested method is effective, and the optimal structure has much better mechanical and economical performance by comparing with the original structures.     

Topology optimization of plate/shell structures with respect to eigenfrequencies using a biologically inspired algorithm

In this article, a novel approach is presented to perform topology optimization in a simple and explicit way. The method capitalizes on the use of a bio-inspired algorithm to represent topology, leading to more flexible optimization solutions along with explicit structure representation. To avoid remeshing upon design changes, a special treatment called the enhanced stiffness transformation approach (ESTA) is introduced to transform the stiffness and mass matrices of the growing stiffener into a set of equivalent stiffness and mass matrices. In this way, stiffeners are separated from the finite element mesh and can grow in an arbitrary direction to form an optimized layout solution. Notably, this approach incorporates more geometric information into topology optimization, which improves the clarity of stiffener layouts. Finally, the effectiveness of the proposed method is illustrated with two examples of maximum eigenfrequency design of plate/shell structures.     

基于拓扑优化的重型矿用自卸车翻车保护结构设计

翻车保护结构（roll-over protective structure,ROPS）是安装在工程车辆驾驶室中的一套被动保护装置,能在翻车事故中为驾驶人员提供有效的保护。为解决ROPS承载能力、刚度、轻量化和侧向吸能效果之间的矛盾,将基于变密度法的拓扑优化技术引入重型矿用自卸车ROPS设计中,以解决ROPS在给定设计域内的材料最优分布问题,提高ROPS侧向吸能效果和垂向、纵向的刚度,减轻自重。首先,利用OptiStruct结构优化模块对ROPS进行拓扑优化设计,以多工况组合应变能最小为优化目标,按照国际标准规定的性能要求施加载荷和约束条件。基于拓扑优化结果,对ROPS进行详细设计。然后,利用显示动力分析软件LS-DYNA对ROPS的最终设计模型进行动态加载分析。最后对优化后ROPS的性能与原ROPS的性能进行对比分析。结果表明：拓扑优化设计后的ROPS在3个工况下都没有入侵DLV（deflection-limiting volume,挠曲极限量）,满足国际标准中的承载能力要求;在侧向加载中最大能量吸收达到175 kJ,满足国际标准中的侧向能量吸收要求;相较于原ROPS,拓扑优化设计后的ROPS达到侧向能量吸收要求所需的载荷从1 324.5 kN减小到1 231 kN,加载中心点的垂向位移减小21.3%,纵向位移减小34.4%,质量减小24.1%。研究结果为重型矿用自卸车ROPS的设计提供了新方法,对后续ROPS的设计与改进有一定的指导作用。     

Multi-objective system reliability-based optimization method for design of a fully parametric concept car body

This article investigates multi-objective optimization under reliability constraints with applications in vehicle structural design. To improve computational efficiency, an improved multi-objective system reliability-based design optimization (MOSRBDO) method is developed, and used to explore the lightweight and high-performance design of a concept car body under uncertainty. A parametric model knowledge base is established, followed by the construction of a fully parametric concept car body of a multi-purpose vehicle (FPCCB-MPV) based on the knowledge base. The structural shape, gauge and topology optimization are then designed on the basis of FPCCB-MPV. The numerical implementation of MOSRBDO employs the double-loop method with design optimization in the outer loop and system reliability analysis in the inner loop. Multi-objective particle swarm optimization is used as the outer loop optimization solver. An improved multi-modal radial-based importance sampling (MRBIS) method is utilized as the system reliability solver for multi-constraint analysis in the inner loop. The accuracy and efficiency of the MRBIS method are demonstrated on three widely used test problems. In conclusion, MOSRBDO has been successfully applied for the design of a full parametric concept car body. The results show that the improved MOSRBDO method is more effective and efficient than the traditional MOSRBDO while achieving the same accuracy, and that the optimized body-in-white structure signifies a noticeable improvement from the baseline model.     

UUV耐压结构多目标优化设计

UUV(unmanned underwater vehicle,无人水下航行器)在海洋民用与军事领域具有广阔的应用前景。UUV耐压结构作为影响UUV负载能力及保障UUV航行任务安全高效执行的重要部件,其优化设计有重要意义。为了最大程度地实现减重目标,有效平衡耐压结构质量、结构强度和稳定性之间的矛盾,进而提升UUV综合性能,提出一种基于组合加权响应面法的多目标优化方法。通过试验设计得到初始采样点,利用有限元工具计算响应值并构建代理模型;然后,以折衷规划法对子目标进行归一化处理,采用组合加权法设定子目标权重系数,以进行耐压结构的多目标优化设计。以某型UUV为例,利用所提方法对其梯形肋骨耐压结构进行多目标优化设计,优化后耐压结构质量减轻了6.6%,肋骨应力下降了6.7%,同时满足稳定性要求。在此基础上,分别以质量为优化目标和以质量、结构强度和稳定性为综合优化目标,对不同肋骨形式耐压结构进行优化设计。结果表明:梯形肋骨耐压结构的综合优化效果最佳。该研究方法适用于UUV耐压结构的多目标优化,研究结果可为UUV耐压结构优化设计提供理论指导,具有实际工程意义。     

单轴力多约束条件下复合材料单向加筋壁板结构效率分析方法

通过建立复合材料单向加筋壁板单元的基本力学假设和计算分析模型,提出了一种多约束条件下进行快速结构效率分析的方法,并利用该方法对典型的复合材料单向加筋壁板进行了结构效率分析和优化,得到了其结构效率随各设计参数的变化趋势和相对最优结构参数。本文方法综合考虑筋条总体稳定性、局部稳定性、结构静强度约束及其之间相互影响,并在基本假设的基础上将复合材料结构离散变量转化为独立的连续设计变量,使得结构力学性能分析和优化分析大为简化,对本文方法所得结果与试验及有限元分析所得结果做了比较,吻合得较好。研究结果为复合材料单向加筋壁板的设计提供了直接参考,具有较好的实际工程应用和参考价值。      

伺服机械压力机机身结构优化设计分析

目的 针对当前伺服机械压力机机身质量与结构分配不合理、刚度不足的问题,以6 000 kN闭式伺服机械压力机机身为研究对象,对该闭式伺服机械压力机机身进行重新设计,以实现提高机身刚度和轻量化的目的。方法 首先进行机身静力学分析,确定拓扑优化空间,获得压力机机身优化分析边界条件;然后采用变密度法对压力机机身进行拓扑优化分析,选择合适的密度阈值,获得机身的拓扑优化结构。为了便于加工制造,减少制造成本,基于该优化结构并考虑可制造性重新设计机身结构。最后,通过有限元仿真分析和机身刚度测试试验,对比优化前后机身的刚度。结果 优化后的伺服机械压力机机身质量减轻了10.9%,一阶模态频率提高了3.74%,机身刚度提高了约28%。结论 通过对伺服机械压力机机身结构进行优化设计,解决了高刚度机身设计的工程问题,为伺服机械压力机生产制造提供了一定的理论和技术支撑。     

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。