工业机器人臂部静动态多目标拓扑优化设计研究

为兼顾工业机器人臂部更高静动态特性和更低自重的要求,基于SIMP变密度法拓扑优化,运用相对差值的数学方法,构建了提高结构静态各工况刚度和动态各阶固有频率的多目标拓扑优化数学模型。以MOTOMAN-HP20工业机器人的L臂为研究对象,对其进行静动态多目标拓扑优化设计,获得L臂新结构方案。分析表明:L臂新结构静态各工况的刚度和动态各低阶固有频率都得到提高,同时L臂减重15.5%,实现了轻量化。并且相对差值法的运用有效避免了在多目标优化过程中大数量级目标支配优化结果的问题。     

基于拓扑优化技术的成型机轴承座动刚度特性改进设计

为了改善成型机轴承座的动态特性,对轴承座结构进行基于频率响应拓扑优化设计,实现轴承座的轻量化及提高其动刚度特性。对轴承座的工作状况进行分析,并基于HyperMesh对其进行有限元前处理。以轴承座受载节点的频响位移最小化为优化目标,以优化前后结构的体积比为约束条件构建其频响优化模型,并基于优化准则法进行拓扑优化求解,此外,利用OSSmooth对提取优化结果的CAD模型并再分析。通过优化前后动态特性可得:成型机轴承座优化后的动刚度值和一阶固有频率大大地增加,不仅改善了轴承座的动态特性还实现了结构的轻量化设计。     

基于拓扑优化的工业机器人大臂的轻量化设计与分析

为实现工业机器人轻量化、提高负载自重比和减少能耗的目标,以某20kg负载搬运工业机器人大臂结构为研究对象,对其进行了结构优化设计分析.通过构建动力学模型获得工业机器人大臂在极端工况下的关节载荷,对其进行静动态特性分析,找出可改进的薄弱部位,并对其进行拓扑优化和模型重构.结果 表明,在质量减轻8.67％的同时,变形、应力及振型频率均有不同程度改善.     

面向多目标的汽车悬架控制臂拓扑优化研究

针对结构的多目标拓扑优化设计,提出一种基于折衷规划法归一化子目标建立综合目标函数、以灰色综合关联分析确定综合目标函数中子目标权重系数的方法。以某商用车悬架控制臂为例,运用动力学分析、静力学分析和模态分析,得到控制臂在典型工况下的刚度性能、强度性能和固有频率。用板结构进行拓扑优化和形貌优化确定控制臂外轮廓形状,再分别采用单目标拓扑优化降低典型工况下的柔顺度和提高前三阶固有频率,并采用多频率加权方式来抑制频率单目标优化时的振荡现象。将单目标拓扑优化形成的子序列与各个目标最优值形成的最优序列进行灰色综合关联分析,得到子目标的权重系数。用折衷规划法进行多目标拓扑优化,根据优化结果对控制臂进行改进设计。改进后结构分析表明:优化后的控制臂质量减轻9.3%,整体刚度性能和强度性能明显增强,各阶固有频率均有不同程度提高。     

基于作业区域和响应速度的节点布收机械臂优化设计

节点作为油气勘探中数据采集的关键设备,人工布收的工作强度大、重复性高;机械臂具有长时间持续工作等优点,可代替人工布收节点,提高其布收效率;但机械臂结构刚度低、响应速度慢。因此,对机械臂进行了结构优化及轻量化设计,以提高其结构刚性及运动能力。基于旋量理论,建立了节点布收机械臂正运动学方程,以作业区域为约束条件,提出了综合考虑节点布收机械臂的静刚度全域指标和任务方向的速度综合全域指标,建立了节点布收机械臂尺寸优化数学模型;利用多目标粒子群算法,结合变密度法对节点布收机械臂大臂进行了尺寸优化及轻量化设计。结果表明,结构尺寸优化后,节点布收机械臂的静刚度全域指标提升了19.8%,任务方向的速度综合性能提升了8.8%,显著提高了机械臂的刚度及运动能力;大臂轻量化设计后质量降低了14.7%,有利于提高响应速度的运动能力。研究结果对提高油气勘探的准确性和效率具有重要意义。     

抓取机械臂的强度分析和优化设计

以DOBOT Magician机器人机械臂为研究对象,为降低其质量,减少材料消耗,采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方法对其结构的优化设计进行了研究。首先使用建模软件建立三组机器人小臂的参数化模型,将其导入Workbench中进行应力分析和弯曲刚度分析,对三组结果进行对比分析确定危险工况。然后以质量、变形和应力为目标参数对危险工况下小臂的参数进行灵敏度分析,得到对目标参数影响最大的参数,并以这些参数为设计变量,采用响应面优化方法和拓扑优化方法对小臂代理模型进行尺寸和结构优化。优化结果表明：在保障精度和强度的前提下,通过对小臂的轻量化设计,使其质量降低了32.8%,最大应力值降低了21.1%,最大变形减小了24.3%,弯曲刚度增加31.8%,成功实现了小臂的轻量化。同时,该研究也为类似的优化设计提供了一种可行的实施方案流程。     

基于ANSYS的旋挖钻机动臂的拓扑优化设计

为了寻求旋挖钻机动臂结构的最优分布,实现动臂的轻量化,以某旋挖钻机动臂为研究对象,提出了基于均匀化方法的拓扑优化法,并将其应用到动臂的优化分析中。以动臂体积最小作为优化目标,动臂结构柔度作为约束条件构建数学模型,依据优化结果改进动臂结构,并对改进后的动臂进行了静力分析。结果表明,改进后的动臂在满足结构强度与刚度的同时,使用的材料与原设计方案相比减少了15%,实现了动臂最优分布与轻量化设计,为后续动臂的设计提供了参考。     

桥式起重机主梁的拓扑优化设计

桥式起重机主梁的轻量化设计是解决桥式起重机重量大、材料浪费问题的关键,以桥式起重机主梁作为结构优化的对象,以达到桥式起重机最佳结构质量且保证其刚度性能为目标进行结构的拓扑优化设计,得到桥式起重机主梁的三维拓扑配置,并对其进行有限元应力的验证和分析。通过对比桥式起重机主梁重构前、后的应力分析结果,发现在满足其强度和刚度的条件下,重构后的主梁质量降低了26.54%。     

汽车变速器箱体拓扑优化研究

在传统的变速箱体的设计方案基础上进行改良,将有限元法以及拓扑优化法融入进新的设计方案之中。利用Optistruct软件的变密度法,以最小柔度为优化目标,以质量、频率、位移为约束条件,对变速器箱体进行结构拓扑优化,并对优化设计的箱体结构进行了强度、刚度分析以及模态分析。分析结果表明:在保证箱体强度、刚度和模态特性的前提下,拓扑优化成功地实现了箱体轻量化设计。     

一种兆瓦风电齿轮箱前机体结构轻量化设计

以经验为主导的传统齿轮箱箱体的设计方法已逐渐无法满足大兆瓦风电齿轮箱的设计要求。基于此,利用拓扑优化和尺寸优化方法,以轻量化设计为目的,在提高强度和保证刚度的条件下对风电齿轮箱前机体进行结构优化设计。前机体的有限元分析表明,有必要对其结构进行优化设计;基于多位置工况建立前机体的静动耦合拓扑优化模型,根据拓扑优化传力路径获得概念模型;采用响应曲面法对概念模型的关键尺寸进行优化设计,通过筛选法得到最优尺寸。对优化前后前机体的性能进行比较,质量减少12.79%,第一主应力基本不变,刚质比提高7.19%,实现了结构轻量化的目的。     

发动机罩的结构轻量化设计

应用拓扑和形貌联合优化,以及基于DOE灵敏度分析的尺寸优化对发动机罩进行轻量化设计。分析了原发动机罩主要承载状态的刚度和一阶约束模态。两种优化设计方法均以体积最小为目标,弯曲刚度、扭转刚度、侧向刚度和一阶约束模态频率为约束条件。根据优化设计结果,给出了两种轻量化方案。对比优化前后的结构性能,从刚度和一阶约束模态频率角度验证轻量化方案的可行性。CAE分析结果表明,两种方法均可以达到降低发动机罩质量且满足结构性能要求的目的,而且,对此发动机罩尺寸优化的轻量化效果更好。     

汽车悬架控制臂多目标拓扑优化设计

为了实现悬架控制臂的轻量化,利用动力学分析软件对控制臂三种典型工况进行模拟路试,提取关键硬点的载荷作为边界条件,采用折衷规划法建立综合目标函数,运用灰色关联分析法分配各工况权重系数,对悬架控制臂进行拓扑优化;根据拓扑优化的结果对控制臂进行二次设计.分析结果表明,改进后的控制臂的刚度和强度性能均能满足要求,控制臂减重16.5％,实现了轻量化的目的.     

碳纤维麦弗逊悬架控制臂轻量化设计

建立悬架动力学模型,对控制臂在冲击、转向、制动三种工况下的边界载荷进行研究,并以控制臂体积最小为优化目标,结合优化设计数学模型利用拓扑优化软件Opti Struct对碳纤维悬架控制臂进行了结构优化,获得控制臂基本形状以及材料的最优化分布。根据优化结果,对控制臂进行了结构设计,并通过有限元仿真,对各种工况下碳纤维控制臂的应力以及位移进行了研究,结果表明,通过轻量化设计的碳纤维控制臂在符合强度和刚度要求的同时,比钢结构控制臂轻45.6%。     

汽车悬架控制臂多目标拓扑优化设计

为了实现悬架控制臂的轻量化,利用动力学分析软件对控制臂三种典型工况进行模拟路试,提取关键硬点的载荷作为边界条件,采用折衷规划法建立综合目标函数,运用灰色关联分析法分配各工况权重系数,对悬架控制臂进行拓扑优化;根据拓扑优化的结果对控制臂进行二次设计.分析结果表明,改进后的控制臂的刚度和强度性能均能满足要求,控制臂减重16.5％,实现了轻量化的目的.     

面向风电齿轮箱轻量化的双壁整体式行星架的结构优化设计

以轻量化设计为目的,在提高强度和保证刚度的条件下对双壁整体式行星架进行结构优化设计。首先基于APDL语言进行行星架参数化建模,计算齿轮的内、外啮合刚度和轴承支承刚度,对行星架进行有限元强度分析,并对行星架的部分结构参数进行灵敏度分析;然后以行星架的柔度最小为目标函数,材料密度为设计变量,体积分数为约束条件,建立拓扑优化数学模型;最后应用Hyperworks软件对其进行拓扑优化,根据材料分布建立行星架的概念模型,并进行结构设计。对优化前后行星架的性能进行比较,结果表明,在应力降低了8.74%的情况下,质量减少了17.34%,刚度基本不变,达到了优化设计的目的。     

基于拓扑优化与6σ稳健性的检修工装支撑座轻量化设计

为了充分发挥踏面制动单元(TBU)检修工装支撑座的轻量化潜力和提高优化设计的可靠性与稳健性,提出将拓扑优化与6σ稳健性优化相结合的优化策略。通过基于变密度法的拓扑优化设计,提取支撑座的拓扑结构。基于中心组合试验设计方法和有限元数值模拟技术建立系统的响应面模型。基于该模型建立支撑座的6σ稳健性优化设计模型,并采用序列二次规划法进行优化求解,利用均值一次二阶矩法获得优化结果的可靠度并转化为相应的σ水平。结果表明,优化后的支撑座各设计变量、强度和刚度的可靠度均为1,均达到了8σ水平,减重率达67. 0%,轻量化效果显著;且与拓扑优化后对其进行传统的确定性轻量化设计相比,该方法不仅使支撑座的强度和刚度得到了增强,而且还提高了优化设计的可靠性、强度与刚度的稳健性和重量的一致性。证明了该方法的有效性。     

基于拓扑优化与正交试验的锚机机架轻量化研究

针对锚机大容量、小体积、长寿命的需求现状，将拓扑优化和正交试验法相结合对机架进行轻量化研究。根据静力学分析结果，建立以锚机机架结构柔度最小为优化目标的拓扑优化模型，对机架进行拓扑优化设计并对模型进行重构，接着对机架进行尺寸优化设计，通过ANSYS模拟正交试验，利用最小二乘法建立回归方程，进而得到机架优化的数学模型进行轻量化计算。对优化设计后的机架进行静力学分析，将分析结果与优化前的分析结果进行对比。结果表明：在满足机架强度和刚度要求的前提下，机架重量减小了15.27%，为锚机轻量化研究提供参考。     

基于拓扑和形貌优化的电动汽车动力电池箱轻量化分析

为实现某电动汽车动力电池箱的轻量化设计,首先建立电池箱的三维模型,并对电池箱在颠簸路面、颠簸路面急刹车和颠簸路面急拐弯三种工况下进行静态分析和动力学模态分析。根据分析结果,对电池箱进行分区域优化设计。对电池箱底部为避免单目标拓扑优化的局限性,基于折衷规划法,以静态多工况下刚度和动态特征值为目标进行静动态多目标拓扑优化;对电池箱侧围以提高一阶模态频率为目标进行形貌优化。最后依据优化结果提出了电池箱的优化设计方案并对重新设计的电池箱进行静动力学性能对比验证。结果表明,优化后的电池箱在满足强度和刚度的前提下,实现了轻量化设计,该方法为电动汽车动力电池箱的设计提供了参考。     

基于数值模拟技术的SCARA机器人本体设计与优化

SCARA机器人被广泛应用于制造业,要求其重量轻、精度高、刚度大、动作迅速。利用数值模拟技术对SCARA机器人进行结构和电机参数优化设计。首先利用仿真分析软件Radioss分析SCARA机器人极限载荷下的静刚度;然后利用Optistruct软件对SCARA机器人进行结构轻量化设计,根据优化结果调整SCARA机器人第一臂结构;最后利用Adams软件对优化后的SCARA机器人进行虚拟样机仿真,获得其最优的电机和减速机参数,为SCARA机器人电机选型提供依据。     

基于逆向工程和拓扑优化的转向节轻量化设计

逆向工程与拓扑优化技术广泛应用于汽车零部件轻量化设计,特别是结构轻量化、工艺轻量化等方面。采用逆向工程和拓扑优化方法对某型车辆转向节进行了轻量化的研究。首先采用逆向工程,在转向节的外表面喷涂显像剂,运用手持式三维扫描仪对转向节进行数据采集,基于Geomagic Wrap软件完成转向节点云数据的优化,点云数据封装,建立起转向节三维模型;其次确定转向节优化的边界,对转向节开展静力分析,根据转向节装配要求与设计经验,重构出转向节优化设计空间,以最小体积为优化目标,采用变密度法完成转向节的拓扑优化设计;然后根据拓扑优化设计结果,结合结构制造工艺,重构转向节结构,并开展有限元静力分析验证,最终实现了转向节的轻量化设计。