C型压力机机身的轻量化设计

通过对C型压力机的机身结构进行强度和刚度分析,构建了机身参数化三维模型。通过正交设计及最小二乘法原理,建立了该机床机身重量、应力、变形位移的目标和约束函数。应用ANSYS有限元分析软件对其进行迭代优化,在保证机身强度和刚度的前提下,获得机身重量最轻的压力机机身结构。     

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.     

机械基础结构多目标拓扑优化设计方法

机械的基础结构在保证具有足够的刚度、强度和稳定性的条件下,经济性也必须要好,因此机械基础结构常采用内部布置有加筋板的箱体结构。以某机械基础结构为例,分别用基于经验设计的内部筋板布置方法和多目标拓扑优化方法进行优化设计,得到了2 种设计方案;比较了2 种方案的动静态力学性能。结果表明,多目标拓扑优化设计的基础结构比一般经验设计的结构,刚度有所提高,而结构质量减小11. 21%,一阶固有频率提高25. 07%。     

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.     

考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法

将稳定性问题引入传统变密度法中,可实现包含稳定性约束的平面模型结构拓扑优化。以单元相对密度为设计变量,结构柔度最小为目标函数,结构体积和失稳载荷因子为约束条件建立优化问题数学模型,提出了一种考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法。通过分析结构柔度、体积、失稳载荷因子对设计变量的灵敏度,并基于拉格朗日乘子法和Kuhn-Tucker条件,推导了优化问题的迭代准则。同时,利用基于约束条件的泰勒展开式求解优化准则中的拉格朗日乘子。通过推导平面四节点四边形单元几何刚度矩阵的显式表达式,得到了优化准则中的几何应变能。最后,通过算例对提出的方法进行了验证,并与不考虑稳定性的传统变密度拓扑优化方法进行对比,结果表明该方法能显著提高拓扑优化结果的稳定性。研究结果对细长受压结构的优化设计有重要指导意义,对结构的稳定性设计有一定参考价值。     

基于拓扑优化的变密度蜂窝结构参数化设计及冲击性能研究

针对现有梯度蜂窝结构的经验式、非连续变梯度等设计方法，无法充分发挥梯度设计对蜂窝结构冲击性能提升效果的问题。基于变密度拓扑优化方法，提出了一种参数化设计的拓扑优化密度映射蜂窝结构，通过改变映射系数、相对密度构建了相应的拓扑优化密度映射蜂窝结构模型。研究了不同冲击速度下，映射系数、相对密度对其面内变形模式、力学响应和能量吸收性能的影响。结果表明，映射系数、相对密度对不同冲击速度下的拓扑优化密度映射蜂窝的面内变形模式具有显著影响，增大映射系数有益于提高其平台应力和比吸能，与相同质量、尺寸的标准蜂窝冲击性能对比结果显示：拓扑优化密度映射蜂窝的峰值应力降低了16.9%、比吸能提高了29.1%。研究表明，将变密度拓扑优化方法引入至梯度蜂窝结构的设计可有效提高其冲击性能。     

小议机械产品设计中结构优化技术的运用

机械产品设计中结构优化技术是一种综合性技术要求,一般可以从扩扑优化和尺寸优化两个方面来考虑机械件的加工优化,设计出满足客户要求的设计方案。在技术指标允许的情况下,是一种搜寻最优设计方案的技术。在允许改变的条件下,重新定义设计变量如表征结构外型的几何参数(圆孔半径等)和物理参数(如材料的弹性模量、密度等),重新定义约束条件如装配位置限制条件等,选择最优化并对计算结果分析评估,使产品的性能指标达到最佳效果。应用拓扑优化和尺寸优化技术对于全新产品机械结构的设计是非常关键的,充分发挥技术人员的创新能力,激发创新设计的思路,通过优化设计,降低产品重量,优化了结构,提高了产品性能。     

钛合金薄壁件精密切削加工研究

机械产品设计中结构优化技术是一种综合性技术要求,一般可以从扩扑优化和尺寸优化两个方面来考虑机械件的加工优化,设计出满足客户要求的设计方案。在技术指标允许的情况下,是一种搜寻最优设计方案的技术。在允许改变的条件下,重新定义设计变量如表征结构外型的几何参数(圆孔半径等)和物理参数(如材料的弹性模量、密度等),重新定义约束条件如装配位置限制条件等,选择最优化并对计算结果分析评估,使产品的性能指标达到最佳效果。应用拓扑优化和尺寸优化技术对于全新产品机械结构的设计是非常关键的,充分发挥技术人员的创新能力,激发创新设计的思路,通过优化设计,降低产品重量,优化了结构,提高了产品性能。     

三杆类桁架材料模型多工况最小柔度优化

研究了多工况结构柔度最小化方法。提出了3杆类桁架连续体材料模型。推导了该材料的刚度矩阵及其导数。通过优化杆件分布场得到优化的类桁架连续体。克服了目前普遍采用单元的"有"和"无"表示结构拓扑的轮廓粗糙、锯齿状边界问题。结点位置的杆件密度和方向作为设计变量,杆件在单元内的密度和方向通过结点位置的数值插值得到,并且在单元内连续变化。由于没有抑制中间密度,完全不存在数值不稳定问题。类桁架连续体由于与杆系结构有明确的对应关系,可以合理地转化杆系结构。选择杆件分布场中的部分杆件可以形成杆系结构。如果再进一步作尺寸和形状优化就可以得到最终的拓扑优化结构。     

激光增材制造无人机框梁结构拓扑优化设计及刚度分析

目的 以选区激光熔化成形(SLM)无人机接头框梁结构为研究对象,研究不同工况条件下零件的变形分布情况,对原零件进行拓扑结构优化,并对优化后的零件进行二次静力学验证。方法 以AlSi10Mg铝合金粉末为原材料,利用Ansys Workbench软件的Mechanical模块对SLM成形接头零件4种工况下的静力学刚度行为进行有限元仿真。采用变密度法进行拓扑优化,以刚度最大化为目标、保留质量40%为响应约束进行结构优化,根据拓扑优化密度云图设计孔洞位置及尺寸,对模型进行重构,并在Ansys Workbench软件中进行二次静力学刚度仿真。结果 在4种工况条件下,接头零件弯曲时最大位移位置在上耳片边缘,除工况A外,其余工况均呈现沿z轴正向变形的趋势。在工况B下,总变形最大为0.289 mm,优化后为0.626 mm。优化后的零件使上、下耳片变形程度差异显著减小,最大变形差由0.128 mm减至0 mm。结论 不同位置接头零件的变形演变规律不同,几乎不存在扭转变形,主要是框梁结构的竖直弯曲变形,经拓扑结构优化后零件变形总体趋势并未改变,但整体结构的稳定性和一致性得到了显著提高。     

Application of manufacturing constraints to structural optimization of thin-walled structures

Topology optimization can be a very useful tool for creating conceptual designs for vehicles. Structures suggested by topology optimization often turn out to be difficult to implement in manufacturing processes. Presently, rail vehicle structures are made by welding sheet metal parts. This leads to many complications and increased weight of the vehicle. This article presents a new design concept for modern rail vehicle structures made of standardized, thin-walled, closed, steel profiles that fulfil the stress and manufacturing requirements. For this purpose, standard software for topology optimization was used with a new way of preprocessing the design space. The design methodology is illustrated by an example of the topology optimization of a freight railcar. It is shown that the methodology turns out to be a useful tool for obtaining optimal structure design that fulfils the assumed manufacturing constraints.     

基于权重比的车架多工况拓扑优化方法研究

在赛车实际行驶过程中车架会受到各种工况的考验,因此在进行车架结构拓扑优化设计时必须同时考虑多个工况下车架的拓扑优化结果.然而,在进行多工况下拓扑结构设计时往往会遇到如何分配各个工况权重比的问题,各工况权重比的分配直接影响车架最终的拓扑结构.针对此问题进行研究,通过构造代理模型并利用遗传算法寻找最佳权重比.首先,采用折衷规划法建立同时考虑多个工况下车架刚度的拓扑优化综合目标函数模型;接着,采用最优拉丁超立方试验设计方法采样,构造径向基函数代理模型,并在代理模型的基础上利用NSGA-II进行求解,得到各个工况最佳权重比;最后,将获得的各个工况最佳权重比代入综合目标模型中进行拓扑计算,获得同时考虑各工况下车架刚度的拓扑结构.将该方法与获得权重比常用的层次分析法(AHP)和正交试验法(OED)进行比较,该方法较其他两种方法得到的综合目标值是最优的,车架所有工况的加权柔度是最低的.结果表明,所提出的方法很好地解决了多工况下拓扑优化权重比分配的问题,并且较其他方法具有明显的优越性.     

基于连续碳纤维3D打印的结构拓扑优化及工艺研究

本文利用3D打印技术制备了“椭圆形跑道”样件来研究不同纤维角度和纤维层分布对样件机械性能的影响,并通过实验考察各种力学测试中样件的断裂模式。然后基于变密度的拓扑优化理论对三点弯曲梁、C形夹和弹架悬臂进行结构拓扑优化,并通过力学性能实验进行验证。结果表明,在所有的测试中都观察到样件具有各向异性的机械性能,其中纤维方向具有最高的强度和刚度,而跨层方向具有较低的强度和刚度。通过有限元分析和压缩试验表明,经过拓扑优化的连续碳纤维3D打印弹架悬臂结构能够经受住极端运行条件的考验。     

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.     

Additive Manufacturing of Porous Structures for Unmanned Aerial Vehicles Applications

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have shown promising benefits in many applications. This has been enabled by the emergence of additive manufacturing (AM), which give the designers a large amount of geometrical freedom. In this paper, a novel design process of fused deposition modeling (FDM) combining both topology and infill optimization is introduced for AM of high performance porous structures. Tensile testing of FDM printed samples is first carried out to study the effect of the build orientation on the mechanical properties of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) samples. It is found that samples built perpendicular to the load axis are the weakest with a tensile strength of 29 MPa and Young's modulus of 1960 MPa. The materials properties are fed to the finite elements analysis (FEA) for geometrical topology optimization, aiming to maximize stiffness and reduce weight of those parts. Afterwards, an infill optimization is carried out on the topology optimized parts using different mesostructures such as honeycomb, triangular, and rectangular to achieve high structural performance. The results showed that triangular pattern with 50% infill density had the lowest developed stresses, less mass, and strain energy when compared to other structures. Optimum UAVs parts of a quadcopter are successfully manufactured, assembled, and tested.

     

基于元结构的螺杆转子磨床床身动静态特性分析与优化

摘 要：螺杆转子磨床床身是关键的承载大件,其动静态性能的好坏将直接影响整机的加工精度和稳定性。为实现床身的快速动态优化设计,首先基于元结构理论,使用ANSYS软件仿真分析了床身筋格元结构各主要参数对其动态特性的影响。在此基础上,以提高床身低阶模态固有频率和降低床身重量为目标,对床身的结构参数进行优化,同时通过静力分析验证了优化方案的可行性。优化后,床身低阶固有频率得到了较大幅度的提高,其中一阶固有频率提高了22.3%,床身的重量下降了8.39%,同时静刚度也有明显提高,改善了床身的动静态特性,节约了制造成本。该方法对其他类似关键零部件的动态优化设计具有一定的借鉴意义。     

Lightweight design of bus frames from multi-material topology optimization to cross-sectional size optimization

A comprehensive solution for bus frame design is proposed to bridge multi-material topology optimization and cross-sectional size optimization. Three types of variables (material, topology and size) and two types of constraints (static stiffness and frequencies) are considered to promote this practical design. For multi-material topology optimization, an ordered solid isotropic material with penalization interpolation is used to transform the multi-material selection problem into a pure topology optimization problem, without introducing new design variables. Then, based on the previously optimal topology result, cross-sectional sizes of the bus frame are optimized to further seek the least mass. Sequential linear programming is preferred to solve the two structural optimization problems. Finally, an engineering example verifies the effectiveness of the presented method, which bridges the gap between topology optimization and size optimization, and achieves a more lightweight bus frame than traditional single-material topology optimization.     

屋顶盒包装机顶封曲臂的优化设计

目的对屋顶盒包装机的顶部封口机构曲臂进行优化设计。方法首先,通过ADAMS求解初始曲臂在工作时的极限载荷,利用Hyper Works中Opti Struct模块对初始曲臂进行准静态分析,得到模型应力云图与位移云图,根据分析结果确定基于相对密度法的结构优化模型。然后,应用Opti Struct创建以最小体积为目标函数的全局响应,以最大应力和最大位移为约束条件的、与子工况相关的响应,从而进行拓扑优化。最后,利用ABAQUS对优化后的模型和连接件进行非线性有限元分析校核。结果优化后模型的质量减少了0.67 kg,最大应力值为48.71 MPa,位移最大值为0.04 mm。结论对封口机构曲臂进行拓扑优化设计可行,不仅可以减少质量成本,也能满足结构的刚强度要求。