极地超低温钻机底座受力分析与结构优化

为了优化钻机底座结构以适应极地超低温下的工作环境,利用CATIA对钻机底座进行三维建模并将模型数据导入ANSYS Workbench中,结合极地环境条件因素,分析获得了钻机底座在临界载荷下的形变云图。根据云图找出底座结构薄弱点,对其结构进行初步改进,最后利用ANSYS中的拓扑优化功能对底座结构进行了改进设计,从而降低钻机底座在工作时的形变量,对确保其在低温环境中的使用寿命有设计指导意义。     

四立柱液压机下横梁结构的拓扑优化设计

四立柱液压机下横梁为箱型结构,通常采用经验和类比进行设计,结构合理性有待验证,而使用拓扑优化方法可以在结构初期设计阶段就找到材料的最优分布。使用变密度法拓扑优化理论,基于SIMP密度材料插值模型建立柔顺度最小体积约束数学模型,通过灵敏度过滤来抑制数值不稳定现象,使用OC准则迭代求解下横梁优化结果,确定最优传力路径,最后通过模型重建设计出全新四立柱液压机下横梁概念模型,并在有限元软件中验证该结构的可行性。此研究对四立柱液压机下横梁设计具有一定的指导意义。     

传热结构自适应拓扑优化准则法研究

合理的散热通道分布是提高小空间大热流密度传热结构散热性能最有效的手段。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂,存在棋盘格、灰度单元等数值不稳定现象,提出一种基于基结构的散热通道分布的自适应拓扑优化方法。研究了适用于传热结构拓扑优化问题的基结构构建技术,建立满足库恩-塔克（Kuhn-Tucker,KKT）最优准则条件的迭代公式;以散热弱度最小为优化目标,以杆单元截面积为设计变量,对典型的二维和三维设计问题进行散热通道分布设计,并将设计结果与COMSOL软件优化结果进行对比。研究结果表明,提出的传热结构自适应拓扑优化方法产生的散热通道形态简单清晰,能满足散热性能,且优化过程收敛速度快,克服了现有优化方法产生的数值不稳定问题。     

大功率液力变速器试验台底座结构优化设计

大功率液力变速器试验台是大功率液力变速器生产企业常用的一种试验装备,试验台底座对试验台整体性能具有重要的影响。在原有试验台驱动及前加载底座结构的基础上,采用ABAQUS对底座的动态性能进行分析,研究了不同元结构及不同约束布置形式对底座动态性能的影响规律,并在对底座拓扑优化的基础上对底座的筋板进行了尺寸优化。对优化前后底座进行了比较分析,得到优化后的底座在重量减轻17.75%的同时,一阶固有频率提高26.27%。研究结果为同类型的试验台底座设计提供了有效的设计指导。     

高压储气罐结构拓扑优化设计

拓扑优化是一种能在给定的空间进行结构优化的设计方法,以有限元结构分析与优化算法相结合为手段,对CNG高压储气罐的结构进行了拓扑优化设计,建立了CNG高压储气罐优化设计的有限元模型,确定了设计变量的数目,分析了各设计变量对优化结果的影响,给出了主要设计变量对优化结果的影响规律,根据拓扑优化的计算结果,考虑到制造与加工、生产的需要,确定了储气罐的最优设计参数选择,并分析了各优化结果的应用。计算结果表明该优化设计方法有效,计算结果为高压气罐的进一步设计提供了理论依据。     

基于数值模拟方法的液压支架结构优化

基于CAE优化原理,采用数值模拟方法优化了液压支架的底座结构以及连杆机构尺寸。以底座的外主筋厚度,内主筋厚度以及底板厚度作为设计变量分别进行灵敏度分析,通过基于ANSYS的优化计算,将底座质量降低了5%,应力峰值降低了8%;以连杆机构的尺寸为设计变量,通过基于ADAMS的优化计算,降低了顶梁端点轨迹横向摆动,有效地提升了液压支架的支护效率。     

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     

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法.该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化.首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型.文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000 Hz,轻量化率达到86.0％.得到的结果验证了本文方法的有效性.     

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

针对自由阻尼结构拓扑优化问题,采用模态应变能的有限元求解方法,以单元相对密度值为拓扑设计变量,以材料用量和频率改变量为约束条件,构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型,推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时,目标函数存在非凸性,迭代过程中出现负值设计变量,使得优化结果不收敛或陷入局部优化,故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题,保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真,并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶,结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时,各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定,单元中间密度值区域相对较少,自由阻尼结构获得了有效的减振。     

结构拓扑优化综述

回顾了结构拓扑优化的发展过程,总结了离散变量结构和连续体结构拓扑优化的一些常用方法,并对结构拓扑优化的发展方向提出了展望。     

Enhancing fatigue life of cylinder-crown integrated structure by optimizing dimension

Cylinder-crown integrated hydraulic press (CCIHP) is a new press structure. The hemispherical hydraulic cylinder also functions as a main portion of crown, which has lower weight and higher section modulus compared with the conventional hydraulic cylinder and press crown. As a result, the material strength capacity is better utilized. During the engineering design of cylinder-crown integrated structure, in order to increase the fatigue life, structural optimization on the basis of the adaptive macro genetic algorithms (AMGA) is first conducted to both reduce weight and decrease peak stress. It is shown that the magnitude of the maximum principal stress is decreased by 28.6%, and simultaneously the total weight is reduced by 4.4%. Subsequently, strain-controlled fatigue test is carried out, and the stress-strain hysteresis loops and cyclic hardening curve are obtained. Based on linear fit, the fatigue properties are calculated and used for the fatigue life prediction. It is shown that the predicted fatigue life is significantly increased from 157000 to 1070000 cycles after structural optimization. Finally, according to the optimization design, a 6300 kN CCIHP has been manufactured, and priority application has been also suggested.     

重型液压设备承载结构连接形式

在回顾预应力钢丝缠绕液压机的发展和现状的基础上,抽象出液压机的基本力学模型,指出重型设备工程领域常用的三种连接结构形式,即冶金结合结构、键合结构和坎合结构。分别从连接形式、力学特征和应用特性等多方面对其进行了全面比较分析,阐明了各种结合结构的优缺点,同时也阐明了坎合结构在重型承载中的应用优势。通过例举我国多台自主建造的万吨级重型压机实施情况,说明坎合原理及其技术在重型压机中已经得到广泛应用,在重型装备等行业中具有巨大潜在市场。     

2X107N油压机工作台改造结构的有限元分析

运用UG软件,快捷地对国产2X107N油压机工作台改造结构进行有限元分析,获得最大载荷下的应力分布和位移云图,其结果对油压机工作台改造结构的设计和优化,起到重要的作用,也为同行改造油压机提供借鉴。     

预紧组合结构液压机临界预紧力的研究

预紧组合结构广泛应用于大型液压机本体设计,预紧力的确定是其关键问题。针对锻造液压机,尤其是自由锻液压机经常处于偏心载荷工况这一问题,在现有的偏载工况机架受力分析模型的基础上,进一步引入预紧力,建立了液压机机架临界预紧力的计算模型,并以三缸双球铰液压机为例,推导了其临界预紧力计算公式。设计制造了以某厂120MN三缸双球铰自由锻造液压机为原型的1∶15的本体模型,并对该液压机处于不同工作载荷、偏心距分别为10mm和30mm工况下机架保持整体性所需的临界预紧力进行了实验测试。实验结果表明,所提的临界预紧力计算方法具有一定的可靠性,但该值偏安全。     

ANSYS中基于参数化的液压机结构优化设计

以三梁四柱通用液压机为例,讨论了在有限元分析软件ANSYS中,采用APDL参数化分析技术进行液压机主要结构件优化设计的方法和步骤,编写了程序,并以某型液压机上横梁为例进行计算,综合效益明显,有推广应用价值.     

基于柔性元结构的广义模块化产品族建模及其应用

根据广义模块化设计原理。对广义模块化产品族和产品平台作了整体规划，阐述了柔性模块、虚拟模块、元结构以及柔性元结构等概念，提出了以柔性元结构为基础构建广义模块化产品族的思想。以组合框架式液压机的应用为例，分析了柔性元结构的具体创建过程。实践证明，该方法可以有效加速产品的设计．     

刚度和质量驱动的预紧组合框架式液压机多目标优化设计

为了满足液压机高刚度、轻量化的性能要求,提出刚度和质量驱动的液压机多目标优化设计方法。通过对98MN数控等温锻造液压机结构分析,抽取影响液压机刚度和质量的关键因素;运用正交试验设计方法进行试验,提取刚度和强度与关键因素之间的关系数据。采用一阶响应面建模方法建立上横梁、下横梁刚度和主要部件强度的数学模型,并用统计误差分析方法验证模型的有效性。根据部件结构,建立液压机整机质量的数学模型。进而建立以提高刚度和减轻质量为目标的液压机优化模型。运用非支配解排序遗传优化算法,对液压机上梁刚度与整机质量进行多目标优化,得到Pareto优化解集,可使98MN数控等温锻造液压机刚度提高5%、质量减轻10%。     

超精密机械结构多目标拓扑优化设计

为满足超精密工件台结构极高的静动性能要求,提出了一种基于目标分层的多目标结构拓扑优化方法,并将其应用于超精密工件台关键件的结构优化设计中。基于ANSYS的仿真实验结果表明,多目标结构拓扑优化方法能够有效地提高结构的静动性能和设计效率,满足超精密结构极高的性能要求,为现代工程结构的多目标优化设计和改进提供了理论依据和方法。     

基于AMESim的船用液压阻尼器结构优化与仿真

利用孔口流动原理建立船用液压阻尼器的数学模型,根据模型的优化目标函数对控制阀结构进行优化设计,提高了阻尼器控制阀的闭锁响应效果;采用AMESim软件建立阻尼器及试验台的仿真模型,将优化设计与常规设计的仿真结果作对比,验证了优化设计的正确性;对优化设计结果进行实物样机试验,通过试验结果与仿真结果的对比,进一步证明了优化设计的有效性,同时分析了二者的差异及造成这些差异的原因。将结构优化设计方法、模型仿真、实物样机试验相结合,设计出满足船用要求的液压阻尼器。     

Fault diagnosis of hydraulic system in large forging hydraulic press

The leakage is a common fault in the hydraulic system of the large forging hydraulic press. The large forging hydraulic press is usually used in the high temperature situations. Hence once leakage happens, the fire hazard can be caused and the huge economic losses can be taken place. Therefore, detecting and positioning leakage is also of great importance for the fault diagnosis of hydraulic system. A new method of fault diagnosis is proposed based on extracting leakage information in this paper. Firstly, the double inverse limit space is established. Secondly, the leakage information will be mapped into the double inverse limit space via the homeomorphism mapping. The leakage is detected with equicontinuity. The leakage positioning can be realized according to the topological transitivity in the double inverse limit space. Finally, the method of fault diagnosis is feasible according to the simulation results. Hence the fault diagnosis of hydraulic system in large forging hydraulic press is realized by adopting the method proposed in this paper. The leakage can be forecasted in real-time.