面向轻量化的重型卡车板簧压板优化设计

根据企业对板簧压板进行更换原材料QT500-10为ZG650-830的要求,为降低成本,需对其进行轻量化设计。采用Ansys Workbench建立了板簧压板的参数化有限元模型,以其内腔相关参数为设计变量,通过实验设计生成设计参数样本空间,经有限元求解得到样本点的响应面,同时通过对设计变量的灵敏度分析,确定结构参数优化方向。采用乘除法给出多目标优化的数学模型,利用Workbench进行尺寸优化设计,得到板簧压板的一次轻量化模型;然后对一次轻量化模型进一步进行拓扑优化,得到其最终轻量化模型。研究表明,轻量化后的板簧压板满足强度与刚度要求,结构安全性能提高,与原结构相比减重比达26.78%。     

地铁车钩维护工作台轻量化设计

针对传统设计方法下地铁车钩维护工作台尺寸与重量偏大,使得材料成本增大的问题,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法,通过构建拓扑优化模型和尺寸优化模型,进行了从车钩维护工作台拓扑结构到各尺寸参数的优化过程,实现了车钩维护工作台的轻量化设计。在轻量化设计过程中,通过结构的拓扑优化设计得到了材料在设计空间内的最佳分布,在此基础上提取车钩维护工作台拓扑结构,并通过相对灵敏度分析,筛选出对车钩维护工作台质量降低敏感但对性能降低不敏感的设计变量,最后以筛选出的6个变量作为设计变量进行尺寸优化设计。结果表明:优化后的车钩维护工作台强度有所提高,刚度满足设计要求,并且实现减重49.28kg,减重率为30.73%,轻量化效果显著。     

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。     

基于拓扑与尺寸优化的某型飞机起落架扭力臂轻量化设计

为提高某型飞机的性能,实现起落架轻量化的设计目的,对起落架扭力臂强度进行分析和结构优化,利用SolidWorks软件完成扭力臂组件的三维建模,基于ANSYS Workbench对扭力臂进行应力应变分析,采用拓扑优化方法获得新的材料分布,通过Matlab对重构模型的7个显著参数进行响应面建模,并用遗传算法获得其最优的结构尺寸.结果 表明,该方法切实可行,为扭力臂轻量化设计提供了新的思路.     

LNG车载气瓶支架的轻量化设计

以某半挂车储气瓶支架作为研究对象,使用有限元仿真软件对其开展了刚度及强度计算,并根据计算结果运用变密度法对支架结构进行了拓扑优化,最终根据拓扑最佳优化结果建立了新的支架模型并二次分析验证其有效性。在此基础上,以各杆件壁厚作为设计变量,以最小质量、强度、刚度为目标条件,运用响应面法筛选出支架各杆最优厚度组合。优化后的模型相比原模型最大应力、最大变形量及质量都有所减少,表明拓扑优化结合尺寸优化组合是一种非常有效的轻量化优化方法。     

基于组合近似模型的轻量化设计方法

针对传统结构优化设计方法效率低、计算量大等缺陷,提出一种基于组合近似模型的轻量化设计方法。以某型号内燃叉车的两级门架结构为例,通过熵权TOPSIS综合贡献度分析方法筛选出对门架性能影响最大的上下翼缘及腹板厚度作为轻量化的设计变量,采用最优拉丁超立方设计方法进行样本点采集,得到包含设计变量和性能响应的100个样本点,分别构建外门架质量、最大应力、最大变形的组合近似模型,结合二次序列规划算法展开轻量化设计,结果表明：外门架经过优化后,质量减小13.36%,最大应力减小4.65%。     

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。     

光伏板清扫机器人支撑架轻量化优化设计

以光伏板清扫机器人支撑架为例提出了1种基于拓扑优化与响应面法相结合的轻量化设计方法。对支撑架受力进行有限元分析并对模型拓扑优化;然后利用Box-Behnken设计实验得到7个设计变量的数值模拟样点,通过响应面方法进行2次回归拟合得到响应面模型;最后,利用非支配多目标遗传算法对近似模型进行了迭代优化计算,得到Pareto最优解集。结果表明:轻量化优化后的支撑架的质量减轻了24.6%,应力下降了1.007 MPa。     

面向汽车轮毂轻量化设计的组合优化方法

为了达到汽车轮毂轻量化目的，提出了一种将轮毂的概念设计和详细设计相结合的轻量化设计方法。在概念设计阶段，建立三维几何模型和数学优化模型，以轮毂的柔度最小（刚度最大）为目标，体积分数作为约束，利用变密度拓扑优化方法得到轮毂材料的最优结构；在详细设计的阶段，对拓扑优化后的轮毂结构进行二次设计，对二次设计后的轮毂进行有限元仿真验证和尺寸优化。尺寸优化时，为了解决计算量大和优化效率低的难题，引用拉丁方实验采样和多项式响应面技术，在满足轮毂许用强度的前提下建立轮毂的近似模型。最后利用改进的进化算法寻优得到轮毂的最终结构参数并对其进行强度仿真验证。结果表明，经过两次优化后的轮毂在满足强度的条件下，质量减少了20.94%。     

基于双层规划的白车身结构优化

在单次优化中,具有高维设计空间、多形态变量的优化易求解困难。因此将其分解成低维、单一形态变量的多层次优化。若优化分为双层次,上、下级相互依赖、相互作用、共同决定响应,即为双层规划问题。但是,双层规划令下级在上级的决策环境中寻求最优解,本质上求解困难。为此,通过上、下级间的迭代进行求解。为提高白车身性能并实现轻量化,应同时优化截面形状和板件尺寸。复杂截面形状的参数化引用网格变形技术,易引起板件穿透和单元质量差,进而导致单次优化的重分析失效而终止迭代。因此基于近似模型优化截面形状。然而,尺寸优化为实现轻量化而增加设计变量,随设计空间维数的提高响应面模型的采样点成倍增加、拟合精度急剧下降。因此采用Nastran Sol200优化的方法。根据截面形状和板件尺寸优化的特点,将双层规划法引入白车身结构优化,解决了优化求解困难的问题,同时有效提升其静态刚度、模态频率和实现轻量化。     

基于区间分隔的卡车车架轻量化设计

采用拓扑优化方法进行轻量化设计时,若模型较大,则直接拓扑计算的结果会比较混乱,针对此问题,提出一种基于区间分隔的车架轻量化设计方法。先根据使用要求把拓扑区间分隔成几个小的区域以使计算结果更加清晰;然后采用基于拓扑计算的高强度螺栓优化布置方法以bar单元模拟螺栓并计算其相对密度;最后,根据计算结果准确地确定零件中高强度螺栓的位置。在对某型卡车车架结构进行轻量化设计的过程中,始终以保证其刚度和强度等性能满足典型工况的使用要求为前提,同时根据设计目标的不同不断调整、细化设计变量与约束条件,再综合使用拓扑优化和尺寸优化法求解。结果显示,该车架优化设计后总质量减小了60.4kg,减重率超过10%。     

基于拓扑优化的汽车前纵梁耐撞性设计

结合静态和动态拓扑优化方法对汽车前纵梁进行耐撞性设计,通过静态拓扑优化方法分别获得前纵梁在轴向刚度最大和侧向刚度最大时的结构形式,通过动态拓扑优化方法获得前纵梁具有最大吸能时的结构形式。对拓扑优化结果进行分析,综合考虑前纵梁的轴向刚度、侧向刚度和吸能特性,最终确定前纵梁的最佳截面形式与诱导结构的尺寸和位置。优化前后前纵梁的吸能特性对比结果表明,拓扑优化使前纵梁的耐撞性能有一定的提高。     

基于有限元方法的支承法兰盘结构优化研究

重载变速箱支承法兰盘的结构设计对节约成本、减小箱体整体重量有着重要的影响。基于支承法兰盘的结构特征,通过目标函数的建立、设计变量的选取以及约束条件的确定建立了优化设计的有限元模型,并对法兰盘进行了静力分析。在结构轻量化的目标下,通过对法兰盘进行优化分析,得到了法兰盘安全、可靠的结构最优尺寸,减少了材料的使用。对优化后的模型进行了安全校核,验证其完全满足设计要求。该分析方法对法兰盘结构尺寸的优化具有一定的参考作用。     

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。     

大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

针对某1m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求,设计了一种轻型分体支撑结构.首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发,综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料;然后以结构质量分数为约束条件,建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,得到了拓扑结...     

碰撞条件下的保险杠系统轻量化研究

前保险杠系统的轻量化可以减小能源消耗,降低成本,但须满足相关碰撞安全标准.在有限元软件HyperMesh中构建前保险杠系统模型,进行低速正面碰撞仿真验证模型的可靠性.定义变量、确定优化目标和约束条件后,创建Kriging代理模型,验证模型正确性.通过NSGA-II算法对代理模型优化求解,选取最优解,并根据仿真结果对最优...     

含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计

提出了一种含自重载荷的功能梯度材料(FGM)结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚(SIMP)框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构优化列式。基于伴随法,在时域内进行了灵敏度推导,并用移动渐近线方法进行求解。通过二维和三维典型数值算例系统研究了含自重载荷下FGM结构的拓扑优化设计问题,并深入探讨了自重载荷和材料梯度分布方向对结构优化结果的影响,发现自重载荷和材料梯度分布方向对FGM结构的优化构型和动刚度具有很大影响。最后,以均一材料(FGM的特例)为例,通过数值仿真和实验测试方法验证了所提方法的有效性,并证实了所提方法可有效提高结构的固有频率和结构动刚度。     

基于NSGA-II算法的超轻型火炮摇架多目标优化设计

针对超轻型火炮摇架减小质量、提高刚度的设计要求,基于有限元法和多目标优化设计方法,建立了摇架多目标优化数学模型。以摇架质量和刚度为优化目标,以摇架强度为约束条件,选择了摇架外形结构尺寸和摇架钢板厚度为设计参数,采用改进非支配排序遗传算法(NSGA-II)作为优化方法。通过优化得到了摇架Pareto最优解集,优化结果对超轻型火炮摇架设计具有指导意义,同时,该优化设计方法为处理薄壁结构优化问题提供了一种新的设计思路。     

冲击载荷下装载井防护装置结构优化设计方法

针对装载井防护装置轻量化设计要求,提出了一种冲击载荷下结构优化设计方法。该方法首先使用拓扑优化方法获取装置内部梁的最优布置方案;然后,在此基础上使用动荷系数放大静力,模拟冲击载荷对最优布置方案进行尺寸优化,获得梁截面详细尺寸;最后,进行冲击载荷验证分析,验证尺寸优化结果是否满足强度和变形要求。结果表明,该方法能够有效地减轻防护装置质量,且缩短了优化设计时间。     

基于Pareto挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计

为提高白车身轻量化优化效果,提出了熵权灰色关联分析法用于挖掘非支配Pareto解集中的最优解。建立了白车身及整车侧碰有限元模型,通过实车侧碰试验验证了所建模型的准确性。以侧碰安全件料厚为设计变量,综合考虑白车身弯扭刚度、振动频率等基本静-动态性能及侧碰安全性能,构建径向基函数神经网络结合Kriging（RBFNN-Kriging）混合近似模型并联合第二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ算法）进行了多目标优化。最后,提出了熵权灰色关联分析法计算所有非支配Pareto解的灰色关联度,并以此为评价指标进行多目标决策。优化决策结果表明：在满足白车身性能设计基线的要求下,白车身侧碰安全件质量减小了2.68 kg,取得了较好的轻量化效果。