基于SIMP理论的衡器载荷测量仪悬臂梁拓扑优化研究

针对高精度衡器载荷测量仪反力机构的悬臂梁质量较大的问题,对高精度衡器载荷测量仪的工作原理、悬臂梁加工工艺和拓扑优化方法进行了研究。利用ANSYS对优化前的反力机构进行了静力学分析,基于固体各向同性材料(SIMP)理论对悬臂梁进行了拓扑优化设计,建立了悬臂梁拓扑优化数学模型,运用优化准则法更新了设计变量,求解了位移约束下悬臂梁体积最小的拓扑结构;利用Tosca Structure对建立的数学模型进行了求解,得到了满足设计要求的悬臂梁结构,最后对优化后的悬臂梁进行了静力学分析,并与优化前的分析结果进行了对比。研究结果表明,优化后悬臂梁减重19.8%,悬臂梁结构满足强度要求;且悬臂梁竖直方向最大位移量为4.796 91 mm,可以保证高精度衡器载荷测量仪检定的准确度,由此验证了新悬臂梁结构的可行性。     

悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计

对二维悬臂梁结构进行初始数值分析,确定贴片布置方式。根据力传感器的设计要求,如贴片区域的应力集中、刚度和重量等,基于常用的SIMP拓扑优化方法,建立拓扑优化模型。结合敏度过滤、密度过滤方法和优化模型参数的连续化方法,使优化的结构收敛到一个细结构较少的拓扑构形。采用MMA优化算法对优化模型进行求解,实现对悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计。最终优化结果显示,经拓扑优化得到一个应变在贴片区域集中的优化结构,并达到四个贴片区域的应变量一致。     

基于ANSYS的结构拓扑优化

针对拓扑优化技术在现实中的应用问题,将拓扑优化技术应用到自行车车架和多拱拱桥的最优化设计中。开展了各种拓扑优化方法的分析研究,建立了"以单元材料密度为设计变量,以结构的柔顺度最小化为目标函数,体积减少百分比为约束函数"的数学模型;通过采用商用有限元软件ANSYS中的拓扑优化设计模块对自行车车架和多拱拱桥进行了拓扑优化设计,优化结果表明所得拓扑结构清晰,并与实际的自行车车架和多拱拱桥非常相似。研究结果表明,该结构拓扑优化方法正确而有效,具有一定的工程应用前景。     

档位互换机构壳体拓扑优化

为实现档位互换机构壳体轻量化和减少壳体疲劳破坏的问题.将基于变密度法的结构拓扑优化技术方法应用到壳体优化中,根据各轴最大输出转矩,结合壳体强度和刚度.以壳体柔度为最小目标,体积分数为约束条件,对壳体模型进行拓扑优化分析,并对优化设计的壳体进行应力分析和模态分析设计出最优方案.仿真结果表明:通过拓扑优化设计出的壳体模型的重量明显减轻,一阶模态避开了壳体的固有频率避免产生共振,在正常工况下最大应力相对优化前有所减少且低于材料屈服极限,实现壳体的拓扑优化设计.     

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IPTO算法的连续体结构可靠性拓扑优化

研究结构几何尺寸、结构材料体积及作用载荷不确定条件下的连续体结构可靠性拓扑优化问题,提出基于改进比例拓扑优化(Improved Proportional Topology Optimization,IPTO)算法的可靠性拓扑优化方法.基于概率方法描述变量的不确定性,建立综合考虑材料体积约束和可靠性约束且使柔度最小的连续体结构可靠性拓扑优化数学模型;为提高计算效率,使用基于解耦思想的混合法将可靠性拓扑优化问题解耦成可靠性分析和当量确定性拓扑优化两个独立子问题.在可靠性分析阶段,遵循一阶可靠度法中可靠性指标的几何意义,获取满足可靠性约束且服从正态分布的随机变量,并通过逆变换对其进行修正;在当量确定性拓扑优化阶段,以修正后的随机变量作为设计参数,使用具有无需获取灵敏度信息功能的IPTO算法对结构执行拓扑优化设计.最后使用MBB梁和悬臂梁两个算例证实了所提方法的有效性.     

基于悬臂梁的拓扑优化软件对比研究

为分析不同的有限元分析软件的拓扑优化的质量和效率,分别基于ANSYS Workbench、NX Nastran、MATLAB(88行版变密法拓扑优化代码)这些较常用的有限元分析软件在相同条件的情况下对悬臂梁进行拓扑优化,对这些有限元分析软件的拓扑优化效率、质量进行对比,找出各商用软件在拓扑优化设计领域的适用范围和优势。     

起重机伸缩臂截面拓扑化探析

分析了拓扑优化中材料变密度法及其相关参数对拓扑优化结果的影响,将结构力学中拓扑优化方法应用到起重机伸缩臂的优化设计中,建立了伸缩吊臂的拓扑优化数学模型.利用HyperMesh软件建立了起重机臂架的有限元模型,并利用OptiStruct软件进行优化分析,从而设计出最优的臂架截面拓扑图.分析工作为起重机臂架的结构优化设计提供了一种有效的新思路,其结果为现今流行的大圆角截面和椭圆形截面设计提供了依据.     

动力响应约束下的结构拓扑优化设计

以动力响应为性能设计指标的结构拓扑优化设计技术在航空航天和汽车工业等领域具有重要的应用价值.研究白噪声激励力作用下以结构减重为设计目标、指定位置的均方响应为约束的拓扑优化设计问题.为了消除动力学设计中易出现的局部模态现象,通过在伪密度方法中引入有理近似材料属性模型,建立设计变量和材料属性以及设计函数之间的关系.优化过程采用频域分析方法求解系统均方响应.推导均方响应的灵敏度求解表达式,并利用单元的各阶应变能和动能公式简化系统圆频率和振型的灵敏度求解格式.采用凸线性近似对偶优化算法求解优化模型.列举的3个典型拓扑优化算例验证了所提出的方法的可行性、相对优势以及解决复杂问题的可靠性.     

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。     

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。     

某型突击炮托架中支架左支板结构拓扑优化设计

对某突击炮托架中支架左支板结构进行了拓扑优化设计.定义拓扑优化程序,经过迭代得到了基于密度云图的拓扑优化结果,在拓扑结果的基础上对原有左支板的结构进行改进.优化后的左支板仍能满足强度刚度要求,体积减少12.5％、重量减少6.4％.该方法可应用于类似结构的拓扑优化,对实现武器的轻量化和提高武器机动性有一定的参考价值.     

用拓扑优化方法进行热传导散热体的结构优化设计

分析了拓扑优化中的材料密度方法和优化准则数值求解算法,将结构力学中的拓扑优化方法应用到热传导结构的优化设计中,建立了热传导结构的拓扑优化数学模型,以设计具有最佳散热效果情况下的结构拓扑分布,为传热体的结构优化设计提供了一种有效的新思路和方法。     

基于拓扑优化的机床立柱筋板改进

在拓扑优化的基础上,提出根据拓扑优化结果改进筋板布局的方法,并结合案例,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,分别以柔度最小化、一阶固有频率最大化为目标和两者结合的多目标进行拓扑优化。在采用多目标优化时,对两个目标用加权和方法进行折衷处理,通过设置权值来确定两者在优化中所起作用大小。优化后得出不同的密度云图,根据密度云图所示材料分部,改进筋板布局,达到提高机床动、静态特性的目的。     

多材料负泊松比微结构拓扑优化设计

复合材料优化设计为负泊松比结构提供更大的设计空间,可以充分挖掘材料的各种潜力.为实现多材料负泊松比微结构拓扑优化设计,文中基于序列插值法,对多材料密度进行归一化处理,得到了多材料插值模型,该模型能够使多材料在设计域内向不同材料点集合,可以在单一设计变量下完成多材料拓扑优化设计,无需增加额外设计变量.结合能量均匀化理论,...     

连续体拓扑优化中的过滤算法研究

总结分析了拓扑优化中几种克服数值不稳定性现象的方法及其在应用效果、易实施性等方面的特点，提出一个新的过滤模板，其可根据过滤半径过滤指数进行适当调整。通过短悬臂梁位移约束下的拓扑优化设计算例研究了不同过滤对象、过滤半径、过滤指数和应用策略对拓扑优化结果的影响，计算结果表明该模板能有效消除拓扑优化中的数值不稳定现象。     

基于节点密度插值的多材料柔顺机构拓扑优化

基于弹簧模型和节点密度插值的固体各向同性材料惩罚模型(Solid isotropic material with penalization,SIMP)方法,给出了一种用于多材料柔顺机构拓扑优化设计的分层优化方法.首先,以输出端位移最大化为目标以各种材料相应的体积占比为约束,建立了多材料柔顺机构拓扑优化模型;其次,采用节点密度插值,构造了设计区域内具有C0连续性的密度场函数,给出了目标函数和约束的敏度解析表达式,使用过滤半径自适应迭代的敏度过滤方案,消除了节点密度插值法中的层化现象;再次,给出了一种分层优化策略用于求解多材料柔顺机构拓扑优化问题;最后,分别用典型的二维和三维柔顺机构拓扑优化问题验证了所提出方法的有效性,并分析了设计参数对优化结果的影响机制.     

基于ANSYS参数化语言的微结构拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型：以变密度法作为材料的插值模型,以最小柔度作为目标函数,以优化准则作为优化算法,通过ANSYS参数化编程,实现了微结构拓扑优化。优化结果表明,该模型与ANSYS参数语言编程相结合,可以有效地实现微结构的拓扑优化设计。     

重型载货汽车车架拓扑优化设计

对车架的拓扑优化设计做了研究,在原有重型载货汽车车架模型的基础上,设定拓扑优化区域和优化参数,通过变密度法将连续体离散成[0,1]分布的模型,对于密度较小的区域采取去除材料的办法形成空洞,留下来的材料为横梁的分布位置,为后续的车架设计提供一个思路。     

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。