利用APDL语言实现板壳结构的拓扑优化

拓扑优化设计是工程结构降低成本、提高性能的有效手段之一.在ANSYS对加筋板壳结构的有限元分析基础上,可以对板壳结构的加强部件分布进行合理设计.着重介绍了使用APDL语言进行加筋板壳结构的分析方法.     

基于拓扑优化方法的机床立柱轻量化设计

以某型机床立柱为研究对象,开展了立柱结构的轻量化研究工作。首先,利用Hyperworks软件对立柱结构进行静态和动态特性分析,得到立柱在切削力工况下的应力、变形位移云图、固有频率、振型以及频率位移响应曲线;然后,采用变密度法以柔度最小为目标函数进行拓扑优化,根据拓扑优化云图得到立柱内壁的筋条排布形式;接着,提取加筋板的中面并建立2D模型,进行尺寸优化设计,得到加筋板的最优厚度尺寸;最后,将优化模型与原模型进行力学性能对比分析。优化结果显示:基于拓扑优化方法的机床立柱可在减轻重量的同时提高其静、动态特性。     

以频率为目标的加筋平板结构优化设计研究

以加筋平板结构的多阶模态频率达到指定值为优化目标,探讨结构的优化设计方法。提出一种双向渐进结构拓扑优化法结合尺寸优化方法的结构频率优化设计的改进方法。该方法采用具有规则格栅骨架的加筋平板结构优化模型,以骨架中的梁为结构修改基本单位,以梁敏度计算为基础。实现以频率为目标函数、以体积为约束,并结合敏度再分配策略的结构优化设计。最后,运用尺寸优化方法对优化结果进行后续详细设计。经加筋平板结构频率优化设计算例证明,该方法能满足结构的多阶模态频率优化要求;同时优化结果不存在一般拓扑优化的不规则结构问题,抑制局部模态的产生,对飞机风洞颤振实验模型的设计具有借鉴意义。     

ANSYS参数化有限元技术在板壳结构拓扑优化设计中的应用

拓扑优化设计是工程结构降低成本、提高性能的有效手段之一.在ANSYS对加筋板壳结构的有限元分析基础上,可以对板壳结构的加强部件分布进行合理设计.着重介绍了使用ANSYS参数化语言进行加筋板壳结构的分析方法.     

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动,提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象,结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法,引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量,考虑筋条和阻尼材料的体积约束,建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型,实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例,验证了所提方法和模型的有效性。     

基于变密度法的大型天线系统支撑结构优化设计

大型天线支撑结构的合理设计对满足系统刚强度、轴系精度具有十分重要的意义。基于变密度法的拓扑优化方法根据约束条件和目标函数确定结构内材料最优分布,是合理进行支撑结构内部加强筋设计的一种行之有效方法。推导了以位移为约束,结构质量为优化目标变密度拓扑优化模型;针对某大型天线系统的支撑结构原设计方案中质量较大、结构内加强筋设计不合理出现局部应力集中等问题,设计该结构的三维拓扑优化域,运用该模型以天线系统允许的最小变形为约束条件,以质量最轻为目标进行三维支撑结构的拓扑优化设计,结合载荷传递路径,提出大型天线系统支撑结构内部加强筋设计方案,并采用尺寸优化方法对支撑结构外表面的上支架、底座等位置的板筋厚度进行优化,确定了支撑结构的最终优化方案。经验证,该结构在原方案的基础上减重12.5%,且有效地改善了力传递特性,消除了应力集中现象。     

基于变密度法的散热结构拓扑优化设计

在航空航天、汽车、集成电路等领域,设备结构的热防护问题是广泛研究的热点。传统基于经验的结构设计方法已不能满足实际工程对热防护结构的高性能需求,拓扑优化设计技术的发展为工程热防护结构的设计带来了一条新的途径。基于变密度法研究了稳态热传导条件下散热结构拓扑优化设计问题。以材料密度为设计变量、材料体分比为约束,建立了以结构散热弱度最小化为目标的拓扑优化模型。在传统优化准则法中引入灰度过滤机制,提出敏度过滤和灰度过滤相结合的过滤机制,实现设计变量的更新,有效抑制了灰度单元的产生;将预处理共轭梯度法引入三维散热结构拓扑优化设计中,提高了计算效率。采用二维和三维算例,验证了所构建拓扑优化模型和提出方法的可行性和有效性。     

利用植物根系形态形成机理的加筋薄壳结构拓扑优化设计

将自然界植物根系的形态形成机理应用于加筋薄壳结构加强筋分布设计方法的研究.将加筋薄壳结构加强筋的分布看成一个逐渐形成的过程,则此过程应能自适应于一定的工作条件,使结构逐步趋向具有最佳力学性能的最优结构,这样的过程和自然界中植物根系的形态形成过程具有一定的相似性.在对植物根系形态形成机理进行探讨的基础上,建立基于形态形成机理的加筋薄壳结构加强筋设计准则,即为了得到最小柔顺度结构,结构上的加强筋应沿着结构的应变能相对于加强筋断面积的设计灵敏度大的方向成长,且成长速度也与设计灵敏度成比例.以加筋薄壁圆柱壳结构为例进行加强筋的分布设计,用有限元法对设计结果进行验证.结果表明,提出的利用植物根系形态形成机理的结构拓扑优化设计方法比现有的方法简单高效,并且由于其设计结果是符合工程习惯的清晰加强筋分布,而不是模糊的密度分布,更有利于结构拓扑优化技术的实际应用.设计结果可作为进一步详细设计的初始优化模型.     

连续体结构的静动态联合拓扑优化

为改善结构的动态性能,在拓扑优化的过程中,对结构的基频进行优化,在获得设计空间中材料最佳分布形式所对应的拓扑结构的同时,使得结构的基频高于扰动频率。拓扑优化分析采用变密度法,基于SIMP密度材料插值模型建立位移和频率约束重量最轻模型,使用MATLAB函数和逆迭代法两种方法提取结构频率,通过灵敏度过滤来抑制数值不稳定现象,使用OC准则迭代求解优化结果。在结构静态拓扑优化设计的基础上,研究结构的动力学拓扑优化设计问题,对于提高结构的动态响应能力具有重要的意义。     

基于拓扑优化的薄板加筋方法研究

针对常规薄板加筋方法中加筋比和厚度比的选取具有一定随意性的问题,通过编程实现最优加筋比和厚度比的选取。鉴于常规加筋方法中设计变量较单一,通过对基板的拓扑优化,将薄板加筋结构中的筋条布局设计跟拓扑优化方法联系起来,使结构中筋条的布局设计问题转化为基板中材料的分布问题,增加了筋条的设计变量。相对于常规加筋方法,拓扑优化指导加筋的方法能够达到减重的效果。     

Key techniques and applications of adaptive growth method for stiffener layout design of plates and shells

The application of the adaptive growth method is limited because several key techniques during the design process need manual intervention of designers. Key techniques of the method including the ground structure construction and seed selection are studied, so as to make it possible to improve the effectiveness and applicability of the adaptive growth method in stiffener layout design optimization of plates and shells. Three schemes of ground structures, which are comprised by different shell elements and beam elements, are proposed. It is found that the main stiffener layouts resulted from different ground structures are almost the same, but the ground structure comprised by 8-nodes shell elements and both 3-nodes and 2-nodes beam elements can result in clearest stiffener layout, and has good adaptability and low computational cost. An automatic seed selection approach is proposed, which is based on such selection rules that the seeds should be positioned on where the structural strain energy is great for the minimum compliance problem, and satisfy the dispersancy requirement. The adaptive growth method with the suggested key techniques is integrated into an ANSYS-based program, which provides a design tool for the stiffener layout design optimization of plates and shells. Typical design examples, including plate and shell structures to achieve minimum compliance and maximum bulking stability are illustrated. In addition, as a practical mechanical structural design example, the stiffener layout of an inlet structure for a large-scale electrostatic precipitator is also demonstrated. The design results show that the adaptive growth method integrated with the suggested key techniques can effectively and flexibly deal with stiffener layout design problem for plates and shells with complex geometrical shape and loading conditions to achieve various design objectives, thus it provides a new solution method for engineering structural topology design optimization.     

基于自适应成长法的大型电除尘器烟箱优化设计方法

为使大型电除尘器烟箱结构的力学性能好且质量小,根据烟箱的结构特点,提出了综合应用结构拓扑优化和尺寸优化进行优化设计的方法。 首先针对烟箱结构的加强筋分布,采用自适应成长技术,使加强筋如同植物根系一样, 沿着使其结构刚度最大的方向成长;然后针对得到的具有最优分布加强筋的烟箱结构,采用尺寸优化方法,以质量最小为目标,对其进行优化设计。设计结果表明,所提出的方法对电除尘器烟箱的优化设计有效,优化设计后的烟箱结构与传统烟箱结构相比,在质量减小7.00%的条件下,结构整体刚度提高了7.53%。     

基于自适应成长法的周期性加筋结构拓扑优化设计方法

将自适应成长法应用到周期性加筋结构的拓扑优化设计中,以结构的应变能最小为目标,以加强筋截面积为设计变量,并构建拓扑优化设计模型。为保证优化结构可得到周期性最优拓扑形式,在优化数学模型中加入了周期性约束,并引入敏度过滤函数解决数值不稳定等问题。典型工程结构设计案例表明,提出的方法在周期性加筋结构设计中可得到形态清晰的筋条布局,且设计效率高、适用性广。同时利用所提方法模拟荷叶叶脉生长,获得了与自然界荷叶叶脉相似的布局形态,表明自然界荷叶叶脉分布能使荷叶在承受雨雪等自然载荷作用下的整体刚度最大。     

地铁车辆轮缘润滑装置吊架断裂机理和试验研究

针对地铁车辆服役过程中出现的轮缘润滑装置吊架断裂问题,采用材料和动应力试验与有限元仿真相结合的方法开展断裂机理研究,提出了一种新型结构设计方案。通过对吊架断口微/宏观的全面分析与表征,从材料角度确定疲劳断裂的机理成因;结合动应力试验和累计损伤理论,计算吊架断口关键位置的疲劳损伤值,从线路试验角度确定吊架断裂的结构成因;建立吊架的有限元模型,基于EN13749标准对其进行静强度和疲劳强度仿真,从理论角度判别结构设计的合理性,并与材料和线路试验分析结果进行对比分析;最后,提出吊架结构的改进方案,并进行仿真和动应力测试验证。结果表明：吊架断裂成因为低应力高周疲劳,疲劳源位于加强筋角焊缝内部,且加强筋角焊缝的累计损伤值和材料利用率均大于1;吊架断裂的主要原因为,结构不合理导致加强筋角焊缝承受较为频繁的交变载荷且焊缝存在未熔合缺陷;通过改变吊架结构和材质,提高了焊接质量,达到了轮缘润滑装置在线运行的标准要求。     

基于灵敏度数的薄板结构加强筋布局优化设计

提出了一种启发式的加强筋生长设计方法,加强筋从给定初始点出发,沿着使结构性能最优的方向生长和分枝,同时删除对结构性能贡献小的加强筋,逐步形成最优的加强筋布局。设计过程中,以单元的相对密度为设计变量,以单元灵敏度数作为判断加强筋单元生长和删除的准则。使用Python语言编写了基于ABAQUS的优化设计程序,利用ABAQUS进行有限元求解和前处理。为验证所提方法的有效性,以最大化结构整体刚度为设计目标,对几种典型结构进行了加强筋设计,并与现有文献中的设计结果进行了对比。     

基于人机工程设计的某履带急救车伤病员装载仿真分析

通过建立数字化人体模型和车厢内部布局三维模型,基于人机工程学原理完成了某履带急救车上层担架伤痛员装栽的仿真分析。结果表明：在驻车条件下装载上层担架伤病员的持重仿真分析较好地反映了该任务的安全性和可达性;医护人员装载操作的舒适性程度达到了91．7％,为该履带急救车的布局设计提供了重要依据。     

基于智能优化方法的插装阀液压集成块设计

为解决插装阀集成块设计中外部布局和内部布孔集成方案的组合优化问题,深入分析了插装阀结构特征及其集成块的设计规律,给出了数学优化模型,并提出一种融合现代智能优化理论和工程设计经验的插装阀集成块优化设计方法,构建了插装阀集成块智能优化设计系统.论述了插装阀集成块优化设计中外部元件布局、内部孔道连通设计和安全干涉校核等关键性技术问题,并提出了问题的解决方案.最后,通过工程实例,验证了该方法的有效性和可行性.     

Influence of stiffener location on the stability of stiffened plates under compression and in-plane bending

The elastic behaviour of stiffened plates under non-uniform edge compression is investigated. As a first stage, an energy formulation, in which the structure is modelled as assembled plate and beam elements, is presented. A Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm is then used to evaluate the buckling load and the associated buckling mode for given plate/stiffener geometric properties. Results are presented showing the influence of the stiffener location on the stability of the structure under combined compression and bending. Then, a strategy is presented for optimum location of the stiffener. The proposed methodology can be used to develop an improved design procedure for efficient design of stiffened plates under this type of loading.     

加强框和梁类零件CATIA建模方法研究

阐述了使用CATIA软件建立加强框、梁类零件数字化模型的有效方法.率先采用法则(Law)、样条线(Spline)和平行曲线(Parellel)等方法精确定义出了均匀变化、曲率连续的内外缘条厚度,并对缘条、腹板、筋条的统一建模方法进行了研究与分析;尝试规范了精确、简练和快速的加强框、梁类零件数字化定义流程,从而解决了长期困扰飞机结构设计师的加强框、梁等结构件的建模问题.