基于模态灵敏度分析的机载控制台尺寸优化

机载控制台杆件较多,结构复杂,尺寸优化过程中设计变量较多,在尺寸优化前必须对其进行灵敏度分析。以多目标拓扑优化后的某机载控制台下台体为研究对象;以下台体各构件的厚度尺寸作为设计变量;以质量为约束条件;以第一、第二阶固有频率作为优化目标进行灵敏度分析。获得了下台体第一、第二阶模态频率及质量对杆件厚度的灵敏度变化情况及第一、第二阶固有频率相对于质量的灵敏度值。以下台体质量作为优化目标函数;结构第一、第二阶模态频率作为约束条件;选择第一、第二阶模态频率对质量的灵敏度绝对值较大的杆件厚度尺寸作为设计变量进行尺寸优化。分析结果表明,尺寸优化后结构的低阶固有频率明显提高,质量稍有减少,具有较好的动态性能。为下台体结构尺寸的确定提供依据。     

机载SAR天线座连接支架的拓扑优化设计

拓扑优化方法在雷达天线座的减重设计中具有突出优势,特别适合于大型精密雷达和机载雷达天线座的结构优化设计。文中建立了连接支架的拓扑优化模型,以单元密度为设计变量,体积分数上限为约束条件,加权应变能最小化为优化目标,对机载SAR天线座连接支架进行了拓扑优化设计。考虑到结构美观和制造性,添加了对称平面约束和拔模约束。结果表明:拓扑优化结果符合仿生学原理,在减轻质量的同时,也提高了结构性能。     

基于各向正交惩罚材料密度法的汽车控制臂的优化设计

建立了以刚度最优值(最小柔顺性)为目标函数,体积约束作为约束条件,有限元单元的相对密度为设计变量的汽车控制臂结构拓扑优化模型,对多功能车上使用的A型控制臂结构在概念设计阶段进行了拓扑优化。优化过程中采用各向正交惩罚材料密度法(SIMP)理论建立数学模型,并应用优化准则算法求解数学模型,得到控制臂的概念设计优化模型,为结构详细设计阶段的形状优化和尺寸优化提供设计依据。从结构概念设计的结果知:优化设计过程较稳定、能有效满足概念设计的需要。     

基于拓扑优化的某机载显控台轻量化设计

针对某机载显控台的轻量化设计问题,分析该显控台的承载特点,将下台体确定为轻量化设计的具体研究对象。采用结合了宽容分层序列方法的拓扑优化技术,确定了下台体的材料分布形式,基于该拓扑优化结果,利用还原设计方法构建了下台体的参数优化初始模型。在灵敏度分析的帮助下,有效减少了下台体参数优化时设计变量的个数,提高了参数优化效率。优化计算完成后,利用圆整的参数优化结果建立下台体的最终三维模型,该模型的理论质量较依赖经验设计的下台体减少了1.3 kg。轻量化设计后的显控台的随机振动仿真数据和试验结果,均证明该显控台的轻量化设计是成功的。     

集装箱吊架结构优化设计

采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化对集装箱吊架进行优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计,并在局部再一次进行拓扑优化,改善局部的拓扑结构。利用最终得到的吊架的拓扑结构建立新的有限元模型,综合运用形状优化和尺寸优化;以质量最小为优化目标,吊架的刚度和强度为约束条件,实现吊架的减重。通过综合三种优化方法,不仅提高了吊架的性能,而且大大降低了吊架的质量。     

公交车钢板吊耳座的拓扑优化设计

针对公交车钢板吊耳座的轻量化设计问题,基于HyperWorks进行了拓扑优化设计。以钢板吊耳座零件的单元密度为变量,以最大应力为约束条件,以体积分数最小为目标函数,建立了拓扑优化模型。利用HyperMesh进行了网格划分,通过OptiStruct模块获得了优化计算结果。结合企业加工工艺要求,修改优化计算结果,实现了钢板吊耳座的轻量化设计。拓扑优化设计后总质量比原设计方案减轻了25.71%。安全计算的结果验证了拓扑优化设计结果的可行性。     

某车型铝合金前副车架拓扑优化概念设计

首先采用虚拟路面整车模型动态提载的方法确立了原钢制副车架各硬点在典型工况下的载荷，以此载荷作为铝合金副车架拓扑优化概念设计阶段的载荷输入。在Hypermesh的Optistruct模块对原副车架包络体进行拓扑优化，将体积百分比和加权柔度作为优化响应，以最小化加权柔度为目标，以体积百分比为约束条件，并引入对称约束与制造约束，进行多工况拓扑优化，获得了副车架最佳受力结构。采用材料替换的方法以铝代钢，拓扑优化概念设计后的副车架在不低于原副车架性能目标的前提下实现减重1.84kg，轻量化率达11.5%。通过对概念阶段的铝合金副车架进行性能分析，结果表明，铝合金副车架满足设计要求，此方法对于副车架概念设计阶段具有一定的可行性。     

基于相对密度机床立柱结构的动力学拓扑优化

构造了基于相对密度法的连续体结构动力学拓扑优化设计数学模型,以结构的相对密度为设计变量,结构基频最大化为目标函数,满足结构工况和相对体积比为约束条件,采用启发式优化准则法进行迭代求解;基于该方法和等效质量块对机床立柱结构进行了动力学拓扑优化设计,再对优化后整机进行了动力学仿真.仿真结果表明,该优化设计模型可大大提高机床整机的动、静态特性,同时也验证了所提出的设计模型及优化准则的合理性和有效性.     

考虑拓扑相关热载荷的散热结构多相材料拓扑优化设计

针对热传导拓扑优化设计过程中拓扑相关热载荷问题,以结构散热弱度为目标函数,体积分数为约束条件,构建了多相材料散热结构拓扑优化数学模型。采用一种基于变密度理论的有序固体各向同性微结构材料惩罚模型法构建多相材料插值模型,分别进行拓扑相关热载荷与拓扑独立热载荷作用下的灵敏度分析,借助优化准则法推导设计变量的迭代格式,引入偏微分方程过滤方法抑制优化过程中出现的数值不稳定现象。通过2D与3D数值模型计算,获得考虑拓扑相关热载荷、拓扑独立热载荷以及耦合拓扑独立/相关热载荷在不同边界条件下对拓扑优化结果的影响规律。结果证明了所提方法在解决拓扑相关热载荷作用下散热结构多相材料拓扑优化设计问题方面的有效性与可行性。     

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

针对自由阻尼结构拓扑优化问题,采用模态应变能的有限元求解方法,以单元相对密度值为拓扑设计变量,以材料用量和频率改变量为约束条件,构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型,推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时,目标函数存在非凸性,迭代过程中出现负值设计变量,使得优化结果不收敛或陷入局部优化,故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题,保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真,并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶,结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时,各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定,单元中间密度值区域相对较少,自由阻尼结构获得了有效的减振。     

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。     

基于逆向工程和拓扑优化的支座轻量化设计

基于逆向工程与拓扑优化技术完成了支座的轻量化设计。首先通过逆向工程建立起支座三维模型;其次,通过静态有限元应力分析给出优化的约束条件;然后以最小体积分数为优化目标,以最大Von-mises应力和最大位移为约束,以单元密度为设计变量完成支座的轻量化设计。结果表明,在满足所有约束条件下,优化后的支座质量降低了近18%,效果较好。     

周期性功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计

提出了一种考虑周期性约束的功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计方法。建立了基于变密度理论的固体各向同性微结构惩罚（SIMP）模型的周期性功能梯度拓扑优化模型。以整体结构散热弱度最小化为目标函数、体积分数为约束条件进行宏观拓扑优化,提取了最优构型中各预设梯度层的体积分数;通过重新分配单元散热弱度,实现了梯度层周期性约束设置。借助基于偏微分方程的灵敏度过滤方法消除数值不稳定问题,并采用移动渐近线法对设计变量进行了迭代更新。通过2D和3D数值算例分析了全局周期以及周期性分层梯度设置下,不同离散单元和子区域个数对宏观结构和微观构型的影响规律。研究结果表明：所提方法能够实现周期性约束下功能梯度结构的拓扑优化设计,不同子区域个数条件下均能获得清晰的周期性功能梯度结构且所获得的结构具有良好的散热性能。     

机械结构参数化三级优化设计方法研究与实现

针对传统设计方法的设计结果安全系数过高、结构材料浪费严重的问题,在深入研究优化设计方法的基础上,根据现有优化设计方法的不足,提出机械结构的参数化三级优化设计方法。通过建立统一数据管理机制,将优化设计与参数化设计技术相结合,在基于变密度法的拓扑优化设计与单元生死技术的基础上,以结构最大柔度为优化目标,体积和平衡条件为约束条件,小密度单元为杀死单元,实现了参数化的连续体结构拓扑优化;研究了基于拓扑优化结果数据的参数化CAD模型生成技术,通过建立关键点实现了拓扑优化结果CAD模型的自动生成;在此基础上,研究了形状优化设计和尺寸优化设计与参数化设计技术相结合的优化方法;通过优化结果数据提取,快速进行优化结果模型的生成,实现了机械结构的快速参数化三级优化,避免了现有结构优化设计过程中手动进行模型修改更新操作复杂、浪费时间的弊端;最后,以某型号汽车转向器支架为例,验证了该方法的有效性。     

多载荷工况下无网格Galerkin法的拓扑优化

连续体结构拓扑优化位于产品的概念设计阶段,能够为产品结构的创新提供可能。基于此,提出以节点相对密度作为设计变量,以多载荷工况下结构柔度的加权平均值为目标函数,建立多载荷工况下基于无网格迦辽金法的连续体结构拓扑优化模型,利用Lagrange乘子法来施加本质边界条件,推导出相应的灵敏度计算公式。结合固体各向同性惩罚插值模型编写程序完成两个多工况的拓扑优化算例,并对单、多工况的优化结果进行了比较。所得结果表明,多工况的优化结果并不是单工况结果的简单迭加。同时利用节点密度的最大优势是影响域中的密度与位移具有相同的逼近策略,从而使所建立的模型能有效地提高密度场的连续性,并从模型上抑制了棋盘格现象,该方法的可行性得到验证。     

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。     

基于ICM法的零件拓扑优化方法应用研究

作为结构优化的一门新技术,拓扑优化在汽车、机床、电子机械的结构优化设计中已经得到应用.基于连续体ICM拓扑优化方法,利用先进的有限元分析软件,建立了以体积为约束条件,以模态频率为目标的某数控加工中心横梁结构拓扑优化模型.根据对模型的拓扑优化结果分析,对横梁内部的筋板结构布置提出了建议,确定了横梁的最佳结构方案,仿真结果表明其动静态特性有较大提高.     

隐式功能函数结构体可靠性拓扑优化

考虑工程实际中外载荷、材料属性等的随机不确定性对结构安全性的影响,研究了具有结构位移可靠性约束的拓扑优化设计。建立以柔度最小为目标、以单元相对密度为变量、具有材料体积分数约束和结构位移可靠性约束的拓扑优化数学模型;针对运用有限元数值计算方法时结构功能函数为隐式的情况,运用响应面法近似逼近结构真实的功能函数;利用简便高效的一次二阶矩法计算结构位移可靠度;采用内循环为确定性的拓扑优化、外循环控制结构材料体积分数的策略对连续体结构进行可靠性拓扑优化设计。通过两个算例与确定性拓扑优化结果进行比较,结果表明所提设计方法是高效可行的。     

基于拓扑优化法的副车架概念设计

副车架是连接悬架与车身的重要连接件。为避免传统副车架设计中穷举设计方案后校核的繁复研发流程、缩短开发周期和在新副车架早期开发设计中提供参考,现将变密度法的拓扑优化技术引入乘用车副车架概念设计中[1-7],提出1种正向设计思路。首先使用hypermesh对某乘用车副车架典型工况下的受力情况进行有限元分析。参照乘用车副车架与周边零件相对位置关系,在空间上划分设计区域。然后以设计区域为拓扑优化空间,以单元密度为设计变量,以体积上限为约束条件,定义在多工况条件下的多目标等权重的拓扑目标函数,并通过添加加工约束改善云图。最后依据拓扑云图所示副车架材料分布进行副车架概念设计。通过对该设计方案进行限元分析并与标杆副车架对比发现该副车架设计方案不仅各工况下应力水平低于原方案,而且重量更轻,验证了拓扑优化概念设计方案可行。     

分动器箱体结构拓扑优化设计

针对分动器箱体复杂结构,将基于变密度的拓扑优化分析方法应用到汽车变速箱箱体的结构设计。将结构的最小柔度作为优化目标,以体积分数、位移、应力、模态频率和加工方式为约束条件,分别展开了箱体结构外廓和内部加强筋板结构的拓扑优化分析,并对优化设计的箱体结构进行了静强度和模态分析。结果表明:箱体结构静强度和模态频率均高于设计指标,实现了复杂箱体结构的拓扑优化设计。