基于变密度法的砂带磨床主轴架结构优化设计

主轴架振动性能对砂带磨床加工质量具有重要的影响,论文采用多级优化方法对主轴架进行结构优化设计.基于变密度法对主轴架进行拓扑优化设计,获取主轴架最佳拓扑结构;采用自适应响应面法对主轴架详细模型进行板厚尺寸优化,得到主轴架的最终优化方案,并对优化前、后主轴架的模态和谐响应进行对比分析.研究结果表明:优化后主轴架的固有频率明...     

基于变密度法的二维结构热拓扑优化设计与分析研究

本文使用变密度法对二维结构进行了热拓扑优化设计,同时分析了不同目标函数及几种重要的优化参数对结构热拓扑优化形态的影响规律。研究结果表明：基于变密度法将材料的导热系数与单元相对密度关联后,可以实现结构的热拓扑优化设计;经过拓扑优化得到的最优散热结构都具有树状结构形态,且都是从边界低温处开始生长出粗大的主干结构,并在结构中逐渐演变出细小的分支结构;优化过程中使用不同的目标函数及优化参数,对结构的拓扑优化形态有显著影响,当选取较小的过滤半径、较小的网格尺寸,且惩罚因子取3～5时,能得到符合实际工程需求的最优散热结构。     

基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化设计

针对多工位级进模模具,提出了一种基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化方法。先通过板材冲压成形有限元数值模拟得到变形板料对模具的作用力,利用自主开发的载荷映射工具构建级进模模具结构分析的力边界条件;再通过模具结构分析,明确模具结构优化的空间;最后结合拓扑优化算法对模具结构进行了优化设计。以某汽车连接器件级进模模具为例对该方法加以验证,与按传统方法设计的模具相比,优化重构后的模具在重量保持不变的情况下最大变形量减小了36.5%。对优化重构后的级进模在冲压成形过程中的应变值进行了测量,应变实测值与结构分析结果比较吻合,表明文中所提出的级进模模具结构拓扑优化方法是切实可靠的。     

基于连续密度变量的结构支撑布局优化设计

支撑布局的优化设计是决定结构设计质量与力学品质的关键因素 ,论文提出了用拓扑优化技术进行支撑布局优化设计的一种方法。为了实现结构动力学性能优化 ,采用拓扑优化方法中的虚拟密度技术 ,将支撑单元布局这一离散变量问题转化为连续变量优化问题。该方法以虚拟密度作为设计变量 ,基于单元刚度矩阵与设计变量的指数对应关系 ,建立了结构固有频率对设计变量的灵敏度计算格式 ,实现了动力学优化。论文给出了支撑布局拓扑优化的实例 ,这些问题对于检验论文中所使用的拓扑优化方法的可行性和结果的可信度有很大帮助 ,同样对于这种方法的推广应用也有很大指导意义。计算结果表明 ,拓扑优化方法不仅能够解决结构布局优化设计问题 ,而且在模型建立合理的情况下 ,也能够有效地对支撑布局进行动力学优化     

基于变密度法的双向载荷横梁拓扑优化设计

屋顶排水槽板折弯机的横梁在折弯过程中承受双向载荷作用,横梁的刚性和抗振性是影响折弯机整机精度和稳定性的重要因素。首先对横梁承载情况进行受力分析,然后建立基于变密度法的拓扑优化数学模型,增加双向载荷约束条件,采用通用性较强的优化准则法,通过卷积算子建立滤波器修改元素灵敏度以提高网格独立性,解决棋盘格和网络依赖性问题,编制相应MATLAB优化程序进行结构拓扑优化,利用优化后的截面形状绘制三维模型,引入到ANAYS软件对拓扑结构优化结果进行静动态分析以验证优化结果,并通过LMS振动测试仪和分析系统对横梁进行模态测试试验,验证了优化与仿真的有效性和准确性,最终设计成果应用于屋顶排水槽板折弯机横梁设计,取得了很好的工程应用效果,为相似结构件优化设计提供了有益的借鉴与参考。     

基于变密度法的送杆机构的运送支架拓扑优化设计

利用拓扑优化技术和有限元分析,实现对送杆机构的运送支架轻量化设计和结构优化,提高其综合性能,保障送杆机构能够精确送杆。首先,利用ANSYS/Workbench软件对送杆机构进行静力学分析和模态分析,研究承载时的变形量、应力分布和共振频率,确定初始结构设计的合理性。然后,以运送支架的结构柔度最小为优化目标,外载荷和体积为约束条件,利用变密度法和SIMP插值模型建立对其进行拓扑优化的数学模型。最后,利用Shape Optimization模块对运送支架进行拓扑优化分析,并根据伪密度云图对其结构进行改进。优化结果表明:运送支架的质量减重25.1%,一阶固有频率提高2.1%,最大变形量和应力略微增大,但仍然远小于材料的结构强度,达到优化目的。     

变载荷铣削力影响下的加工中心床身结构优化设计

针对加工中心工作过程中变载荷铣削力对床身结构性能的影响问题,对加工中心床身的材料密度分布以及构成床身的基本结构单元尺寸进行了研究。提出了以床身低阶固有频率和最小柔度为目标,体积分数为约束条件的多目标拓扑优化设计方法;采用折中规划法结合平均频率法,构建了变载荷铣削力影响下的多目标拓扑优化数学模型;依据变密度法拓扑优化指导的材料去除方案,获得了加工中心床身的最佳结构布局;同时结合经过优化的拉丁超立方采样,构造了单元标准二阶响应面,使用多目标遗传算法对床身进行了多目标尺寸优化。研究结果表明:优化后床身固有频率增加16.9%,床身质量减少17.4%,最大变形量降低14.4%,最大应力降低18.8%;该优化方案使加工中心床身的结构布局更加合理,实现了轻量化设计。     

基于MSC.PATRAN/NASTRAN的变密度法拓扑优化系统

自行开发结构优化软件存在着人机界面和结构分析功能不足的缺点.将变密度拓扑优化方法与有限元计算软件(MSC.PATRAN/NASTRAN)相结合,在DELPH16环境下开发了一种可用于复杂结构的拓扑优化系统.以NASTRAN为有限元解算器,以PATRAN为前后处理器,在已知机翼结构气动外形、边界条件、载荷等情况下,使用该系统对一个三维连续体机翼结构进行拓扑优化,得到主承力结构的最优结构形式,拓展了PATRAN/NASrRAN的结构优化功能.算例结果表明,该系统计算结果准确、使用方便,适用于大型复杂结构的拓扑优化问题.     

基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法

点阵材料是一种超轻高强的高性能多孔材料,目前主要以等密度构建点阵结构体。在实际情况下,点阵材料的各部分承受着不同的载荷,等密度点阵材料存在性能不能充分发挥的问题。针对上述问题,将拓扑优化引入点阵材料设计中,提出一种基于均匀化方法的多尺度拓扑优化方法,实现了变密度点阵结构体的优化设计,可根据实际载荷设计出最优的变密度点阵结构体,以达到最优性能。以汽车连杆为例,与现有商业软件HyperWorks采用的梁模型点阵优化方法进行对比验证。结果表明,所提出方法优化所得连杆的轻量化效果更好,应力分布更合理。该方法生成的变密度点阵结构有着更优异的性能,更适合变密度点阵结构体的优化设计。     

连续体结构拓扑优化的一种新变密度法

从变密度法SIMP和RAMP存在的问题出发,提出一种指数形式的惩罚函数,研究了惩罚系数对拓扑优化的影响,解决了SIMP和RAMP刚度矩阵奇异、惩罚系数太大得不到合理拓扑的问题,得出惩罚系数的取值范围,两个算例分析验证了文中提出方法的正确性和优势,并和SIMP法进行了比较.     

多层渐进黑白拓扑优化设计方法

提出一种多层渐进黑白(0-1)拓扑优化设计方法。采用SIMP方法松弛设计变量,利用灵敏度过滤消除棋盘格。将拓扑图中无效的中间单元看成多余材料,在此基础上,采用体积比多层延拓方案,逐步逼近优化问题的目标体积比,同时,利用基于相对密度的单元渐进筛选方法,分层地去除设计域中的无效材料,保留其中的最有效材料,并逐层缩小拓扑优化模型的可利用材料域。通过这种方式,使0-1拓扑设计转化为具有连续设计变量的多层渐进拓扑优化过程,从而最终得到满足目标体积比的黑白拓扑。最后,以柔性最小化及柔顺机构拓扑设计问题为例,进行了算法验证,结果表明该算法能够实现较好的0-1收敛效果。     

基于拓扑优化的天线座叉臂结构设计

针对某雷达天线座叉臂结构刚度不满足设计要求的问题,提出了将连续体结构拓扑优化方法应用到叉臂结构优化设计中,通过优化,确定满足刚度要求、重量最小化的叉臂结构中材料的最佳分布形式,并以此为依据对原设计方案进行了改进设计,仿真结果表明,改进后的叉臂结构刚度得到明显提高.     

整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

基于平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构的微分运动学矢量连续映射关系,建立整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-固体各向同性材料插值(Solid isotropic material with penalization,SIMP)模型,运用优化准则(Optimization criterion,OC)算法对所建立模型求解,采用Heaviside过滤技术处理优化过程中棋盘格和网格依赖问题。基于曲线拟合方法对优化后整体构型轮廓进行拟合,在Solid Works软件中建立其三维模型,进而应用有限元软件进行静力学仿真分析与对比,结果表明:以微分运动学矢量连续映射关系为拓扑优化设计条件,所得出的平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构具有相同的微分运动特性,定性验证了基于拓扑方法对平面全柔顺并联机构设计的有效性。     

Topology optimization of transient problem with maximum dynamic response constraint using SOAR scheme

Frontiers of Mechanical Engineering - This paper proposes a novel method for the continuum topology optimization of transient vibration problem with maximum dynamic response constraint. An...     

大变形条件下的预应力索桁架天线结构优化设计

传统预应力索桁架天线结构设计往往依赖于经验设计和非梯度方法。为了提高该类结构的优化设计效率,文中提出了一种大变形条件下的预应力索桁架结构拓扑优化方法。该方法以一种预应力修正下的柔顺度指标作为目标函数,以质量分数和强度作为优化约束,通过归一化方法获得连续的设计变量,实现对索桁架结构的拓扑构型、组件尺寸和预应力数值的整体优化设计。目标函数的灵敏度信息可完全通过解析方法获得。数值计算结果表明,该方法对大变形条件下天线单一工况和多工况预应力索桁架优化设计都具有较好的适用性。     

一种定日镜的支撑调整结构设计

针对现有定日镜支撑技术的缺陷,设计了一种简单可靠、便于装调的定日镜支撑调整结构.通过对关键部件的有限元分析,验证了该结构设计的可靠性,为定日镜的支撑结构设计提供依据.     

直接转移方式的木星探测器构型设计及轻量化

基于木星探测器直接转移方案设计了3种木星探测器构型并进行有限元仿真,比较发现三翼承力筒构型在满足质量包络的同时,具有最高的模态基频。以该构型为基础,对整体复合材料板铺层厚度进行尺寸优化,使得整器结构的质量从112.5 kg下降到81.5 kg,降低了27.6%。以服务舱隔板为设计区域开展局部的拓扑优化,使隔板质量从12.3 kg下降为11.2 kg,下降了8.9%。根据运载要求,对优化后整器模型进行基频验证:最小横向和纵向基频分别为9.967 Hz和23.567 Hz,满足运载基频要求,具有工程可行性。     

包带式解锁支座的设计与试验

为了满足空间载荷在发射阶段的复杂动力学特性要求,并满足入轨之后的解锁分离,设计了一种爆炸螺栓驱动的包带式解锁支座,并对其进行了受力分析和爆炸螺栓拧紧力矩加载分析。建立了包带与支座的接触有限元模型,进行了预紧力加载分析和轴向拉伸载荷分析。由分析结果可知,包带上的应力分布沿着远离夹紧区域的方向逐渐减小,同时啮合区域的摩擦因数越大,包带的最大应力越小。分析了两种故障模式及其处理措施。振动试验表明：3个方向的均方根加速度放大倍率都很小,其一阶模态全部大于200Hz,满足刚度和承载能力要求;同时该装置解锁可靠性高,具有良好的冲击响应衰减特性。     

应用拓扑优化理论进行结构概念设计

介绍了将拓扑优化方法与CAD/CAE系统进行集成,应用于解决船舶舵叶连接法兰面加工专机的升降台的拓扑结构优化.优化结果为结构详细设计阶段提供了设计优化区域和原型.     

数控机床结构热性能分析与支撑部件拓扑优化设计

针对数控机床结构受热时,温度应力导致的机床微小变形,介绍使用ANSYS软件进行机床结构热性能分析模拟研究过程,其中包括机床连续区域的模型构建、网格划分、插值函数的构建、参数设置及边界约束的设置等等流程。通过实际机床案例进行机床支撑部位的拓扑优化设计研究,经实践证实,拓扑优化效果明显,整机结果令人满意。