大口径火炮高刚度上架优化设计

作为火炮重要部件的上架是整个火炮设计过程中的关键,其性能直接影响火炮的射击密集度.以减小火炮发射时两耳轴中心变位差为目标,以整体结构体积最小为目标函数,耳轴中心最大位移为约束条件,利用Hyperworks软件对上架进行结构拓扑优化.提出根据拓扑优化结果改进的上架设计方案,并进行有限元分析.通过对优化前后的上架最大位移对比,优化后最大位移和质量均比之前有所减小.优化后的上架刚度有所提高,使得火炮发射时两耳轴中心变位差有所减小,对提高火炮射击密集度起到一定的作用.结果表明给出的方法是正确和有效的,并具有较好的工程应用价值.     

碰撞载荷工况下某城市客车车架拓扑优化设计

在满足车辆行驶安全的前提下,实现结构的轻量化设计是必不可少的.以某城市混合动力电动客车车架结构为研究对象,对其进行多载荷工况下有限元分析,并考虑正面碰撞载荷工况条件.建立车架的多目标拓扑优化数学模型,采用权重比法确定各子目标函数的权重,最后按照各工况的最佳权重比对车架进行拓扑优化设计,并对新车架结构进行有限元校核.结果表明:优化后的车架减重5.02％,满足轻量化要求,同时新结构达到碰撞安全标准,所提设计方法有效.     

限界法克服连续体结构拓扑优化载荷病态问题

在连续体结构拓扑优化中,当结构所承受的工况载荷幅值相差多个量级时,使用传统优化方法所得结果中可能存在载荷病态问题。为了解决载荷病态问题,提出了基于限界法的优化求解思路。首先,通过限界法将多目标优化问题转化为单目标优化问题,结合变体积约束限技术,建立新的等效近似优化模型;当同一工况内有载荷病态时,在优化模型中增加柔顺度小量变化约束。然后,基于Heaviside密度过滤,对目标函数和约束函数进行灵敏度计算,采用移动渐近线算法（MMA）优化求解。最后,通过二维和三维算例,验证了所提方法的可行性和有效性。与现有方法比,该方法可高效地获得0/1分布更清晰、性能更优的结构拓扑。     

支撑结构多目标拓扑优化设计研究

以支撑结构为对象,研究了多工况下结构材料的最优布局和结构固有频率最大化的多目标优化问题。在基于变密度连续体结构拓扑优化方法的基础上,采用折中规划法研究多工况下多目标优化函数问题,建立了支撑结构的拓扑优化模型,利用分析层级法确定了各子目标的权重,进行了多目标拓扑优化,得到了材料的优化布局方案,减轻了结构质量,提高了结构固有频率。研究表明拓扑优化方法适用于板壳类结构的优化设计。     

多工况载荷下连续体结构柔顺度拓扑优化问题的新的求解方法

针对以多工况载荷下结构柔顺度最小为目标函数,结构体积为约束条件的优化问题,提出了一种新的拓扑优化求解方法。首先,参考限界公式法,通过一个限界变量将原多个目标函数转化为约束条件,引入一个新的该限界变量的二次函数作为目标函数。同时,结合变体积约束限技术,建立新的近似拓扑优化模型。然后,基于有理近似材料模型和移动渐进线方法,给出了目标函数和约束函数及其导数的显式近似式。利用光滑化对偶算法,构建了具有收敛性的多工况载荷下连续体结构的柔顺度拓扑优化算法。给出的算例结果表明,与现有方法比,该方法可获得更优解或可高效地获得相同的优化解。且所提方法可稳健地获得清晰0/1分布的优化结构拓扑。     

汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究

为了研究以静态多工况下刚度和动态振动频率为目标函数的车架拓扑结构,提出了一种结构的多目标拓扑优化研究方法。基于实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法,采用折衷规划法定义多目标拓扑优化和多刚度拓扑优化的目标函数,而振动固有频率拓扑优化的目标函数则采用平均频率法定义。通过优化得到了同时满足静态刚度和振动低阶频率要求的汽车车架结构拓扑。该方法避免了单目标拓扑优化无法考虑其他因素的缺点,适合连续体结构的多目标拓扑优化。     

汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究

为了研究以静态多工况下刚度和动态振动频率为目标函数的车架拓扑结构,提出了一种结构的多目标拓扑优化研究方法。基于实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法,采用折衷规划法定义多目标拓扑优化和多刚度拓扑优化的目标函数,而振动固有频率拓扑优化的目标函数则采用平均频率法定义。通过优化得到了同时满足静态刚度和振动低阶频率要求的汽车车架结构拓扑。该方法避免了单目标拓扑优化无法考虑其他因素的缺点,适合连续体结构的多目标拓扑优化。     

多工况下塔带机工作平台拓扑优化设计

为了避免单工况优化设计的局限性,对塔带机工作平台进行了多工况拓扑优化设计,得到其优化的结构构型,使工作平台在各种工况下既具有足够的刚度,又适当的减少了材料用量.以工作平台的整体结构柔度最小为优化目标,利用带权重的折衷规划法协调多个目标函数,构建多工况拓扑优化数学模型,利用HyperWorks/Optistruct求解优化模型,得到工作平台的拓扑型式.根据拓扑型式重构几何模型,对其进行静力分析,并与原结构模型静力分析的结果进行比较,对比的结果证明了文中优化设计的有效性.     

多载荷工况下无网格Galerkin法的拓扑优化

连续体结构拓扑优化位于产品的概念设计阶段,能够为产品结构的创新提供可能。基于此,提出以节点相对密度作为设计变量,以多载荷工况下结构柔度的加权平均值为目标函数,建立多载荷工况下基于无网格迦辽金法的连续体结构拓扑优化模型,利用Lagrange乘子法来施加本质边界条件,推导出相应的灵敏度计算公式。结合固体各向同性惩罚插值模型编写程序完成两个多工况的拓扑优化算例,并对单、多工况的优化结果进行了比较。所得结果表明,多工况的优化结果并不是单工况结果的简单迭加。同时利用节点密度的最大优势是影响域中的密度与位移具有相同的逼近策略,从而使所建立的模型能有效地提高密度场的连续性,并从模型上抑制了棋盘格现象,该方法的可行性得到验证。     

基于BESO方法的连续体结构动态特性多目标拓扑优化

为实现动态多目标下的拓扑优化结构设计,以结构动柔顺度最小化和固有频率最大化加权函数为目标,提出基于双向渐进结构优化方法(Bi-direction Evolutionary Structural Optimization, BESO)的连续体结构动态特性多目标拓扑优化方法。基于等效静载荷法(Equivalent Static Loads, ESL),将结构动刚度优化问题转化为多工步载荷作用下的线性静刚度优化问题,结合BESO方法实现结构多工况线性静态优化。分别归一化目标函数和灵敏度,避免不同性质目标函数及灵敏度的量级差异引起的数值奇异性。数值算例结果表明,结构体积约束、频率与动柔顺度综合目标均能渐进收敛于最优目标值,优化结构具有清晰的拓扑构型。随着柔顺度灵敏度、权重因子的减小,优化结构拓扑形式发生显著变化,其动刚度逐渐减小,而固有频率逐渐增加。所提出的频率-动刚度多目标拓扑优化方法能够提高结构动态特性,拓展了BESO方法对结构动力学拓扑优化问题的应用范围。     

多工况下微型电动车车身结构拓扑优化设计

以车身多工况权重刚度最大化为优化目标,以体积比、节点位移及一阶频率为约束条件,建立了微型电动车车身结构多刚度拓扑优化模型。在采用线性加权方法将多刚度这一多目标优化问题转化为单一目标优化的过程中,基于层次分析法提出了多工况权重比的计算方法。该方法使车身优化设计中权重比的设定有据可依,可避免由于设计者主观因素造成的权重比偏差。该多刚度拓扑优化模型体现了车身结构的拓扑优化设计,得到了满足性能要求的清晰车身结构。     

基于多目标满意度的履带架拓扑优化研究

履带架是履带行走装置的重要结构件,为了得到其在多个工况下最优结构形式,将拓扑优化的方法引入履带架的结构设计中。分析了履带架典型工况,建立履带架结构多刚度拓扑优化模型;采用带权重的折衷规划法将多目标问题转化成单一目标问题,基于多目标满意度理论提出动态权重系数的计算方法。该方法中权重系数是相应单目标值的函数,避免了主观设置权重系数造成的偏差。根据拓扑优化结果重构三维模型,对其进行静力分析,并与原结构模型分析结果对比,验证了本文优化设计的有效性。     

某牵引车车架多目标拓扑优化设计

为了得到同时满足静态多工况刚度和动态振动固有频率要求的某牵引车车架结构,将拓扑优化的方法引入到车架的结构设计中。采用折衷规划法定义多刚度拓扑优化的目标函数的数学模型,而振动固有频率拓扑优化的目标函数的数学模型则采用平均频率法定义,综合刚度与振动固有频率的多目标函数的数学模型也采用折衷规划法定义。通过优化得到同时满足刚度和振动频率要求的车架拓扑结构。通过在Hyper Works软件中对车架进行静态和模态仿真,仿真结果表明,车架性能满足工作要求,这也验证了对牵引车车架进行多目标拓扑优化设计是合理可行的。     

某车型铝合金前副车架拓扑优化概念设计

首先采用虚拟路面整车模型动态提载的方法确立了原钢制副车架各硬点在典型工况下的载荷，以此载荷作为铝合金副车架拓扑优化概念设计阶段的载荷输入。在Hypermesh的Optistruct模块对原副车架包络体进行拓扑优化，将体积百分比和加权柔度作为优化响应，以最小化加权柔度为目标，以体积百分比为约束条件，并引入对称约束与制造约束，进行多工况拓扑优化，获得了副车架最佳受力结构。采用材料替换的方法以铝代钢，拓扑优化概念设计后的副车架在不低于原副车架性能目标的前提下实现减重1.84kg，轻量化率达11.5%。通过对概念阶段的铝合金副车架进行性能分析，结果表明，铝合金副车架满足设计要求，此方法对于副车架概念设计阶段具有一定的可行性。     

考虑多工况油箱支架结构拓扑优化研究

为保证油箱支架结构能更好地满足不同行驶工况下的承载要求,需要在设计阶段考虑其在多工况下的静态刚度特性,对整个支架结构进行合理的多目标拓扑优化设计。基于固体各向同性材料惩罚函数优化理论,运用折衷规划法定义了车辆在不同行驶工况下的静态刚度拓扑优化目标函数,根据优化结果,设计出了一种满足刚度要求的新支架结构。     

满意协调法在OptiStruct中多目标拓扑优化中的运用

为了研究多工况下静态刚度和动态振动频率为目标函数的拓扑优化结构设计,提出了一种连续体结构多目标拓扑优化的研究方法。基于实体各向同性材料惩罚函数(SIMP)的插值模型,采用满意协调法把多目标问题转化为单目标问题,从而避免因单目标拓扑优化而不能满足车体结构性能要求的缺点,同时通过一些变换,规避了满意协调法中不含等式约束这一条件。运用OptiSt-ruct平台,以发动机盖为实例进行多目标拓扑优化,并与已经用于生产的成熟的发动机盖模型进行对比,验证了优化方案的可行性。     

面向多目标的汽车悬架控制臂拓扑优化研究

针对结构的多目标拓扑优化设计,提出一种基于折衷规划法归一化子目标建立综合目标函数、以灰色综合关联分析确定综合目标函数中子目标权重系数的方法。以某商用车悬架控制臂为例,运用动力学分析、静力学分析和模态分析,得到控制臂在典型工况下的刚度性能、强度性能和固有频率。用板结构进行拓扑优化和形貌优化确定控制臂外轮廓形状,再分别采用单目标拓扑优化降低典型工况下的柔顺度和提高前三阶固有频率,并采用多频率加权方式来抑制频率单目标优化时的振荡现象。将单目标拓扑优化形成的子序列与各个目标最优值形成的最优序列进行灰色综合关联分析,得到子目标的权重系数。用折衷规划法进行多目标拓扑优化,根据优化结果对控制臂进行改进设计。改进后结构分析表明:优化后的控制臂质量减轻9.3%,整体刚度性能和强度性能明显增强,各阶固有频率均有不同程度提高。     

连续体结构的静动态多目标拓扑优化方法研究

为实现以静态多工况下刚度和动态特征值为目标函数的拓扑优化结构设计,提出一种连续体结构的静动态多目标拓扑优化模型.以平均柔度最小化和平均特征值最大化为目标,采用标准化方法定义多目标拓扑优化的目标函数,根据决定函数大小来选择最优的妥协解,并且对目标函数进行归一化,消除不同性质目标函数在数量级上的差异.拓扑优化采用同体各向同性材料插值方法,将移动近似算法用于多目标拓扑优化问题的求解,并且用过滤求解技术避免拓扑优化中数值不稳定性现象.数值算例结果表明,文中提出的方法在连续体的静动态多目标拓扑优化设计中是正确的和有效的.     

岸边集装箱起重机吊具上架的有限元分析

针对某岸边集装箱起重机吊具上架不同工况条件下的静态、动态特性问题,对吊具上架进行了多种工况条件下的静力分析和模态分析。以Hyperworks为平台建立了吊具上架的有限元模型,通过多点约束模型模拟了质量、力的加载及约束,并基于使用条件和FEM(欧洲起重机设计规范)定义了4种工况。首先通过Optistruct求解器得到了吊具上架在4种工况条件下的应力、位移云图,对比分析了不同工况条件对结构的影响;之后进行了前6阶固有频率及振型分析,得出了不同振型对吊具上架结构的影响结果。研究结果表明:吊具上架的结构满足静力要求,同时也具有良好的动态特性;该方法可为吊具上架的结构设计和优化提供参考。     

链轮结构静/动态多目标拓扑优化及敏度分析

为增强链轮结构的静态刚度及有效抑制外界激励的影响,将多目标理论并结合拓扑优化理论引入到链轮结构的设计。依据链轮的真实工况,分别对其进行静态刚度和动态固有频率最大化的优化设计。基于折衷规划法定义静态刚度和动态固有频率的多目标函数,并以体积分数为约束条件构建链轮结构的SIMP拓扑优化模型,基于OptiStruct的优化准则算法进行多目标优化求解。运用伴随变量法求解多目标函数相对设计变量的灵敏度,为结构整体性能改善及优化提供准确的梯度信息。最后,以链轮多目标优化结果为参考,基于SolidWorks进行二次设计,并对其进行静力学和模态分析用以验证优化前后结果的正确性。该方法对考虑多个目标的工程结构优化设计具有实际意义。