基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究

机架是四旋翼无人机的重要支撑结构，机架结构的强度和刚度直接影响飞行安全，机架结构的轻量化是实现无人机长续航、高效率的关键，机架结构的振动稳定性也是设计的重要考虑因素。基于响应面法和拓扑优化方法，对某型民用无人机机架结构进行了优化设计研究。首先建立数学模型，将优化问题转化为机架结构的质量和强度的双目标优化问题，采用响应面法对机架结构参数进行重新设计，寻找最优参数组合，再通过拓扑优化方法，在保证结构强度的同时，对新机架进行减重设计，最后，经优化设计后的新机架减重56.2%，并且结构材料分布合理，结构位移量小且各阶模态均不会发生共振，满足设计要求。     

飞机千斤顶机架结构的拓扑优化设计

为实现千斤顶机架的轻量化设计,提高材料的利用率,对机架的4种极限工况进行了静力学分析,通过分析可知机架在这4种工况下的刚度和强度裕量较高,材料不能得到充分利用。对机架进行拓扑优化设计,得到机架结构的最佳材料分布。参照优化后的结构重新建立机架模型,并进行有限元分析,验证结果的可靠性。优化后机架的质量由26.714 kg减小到21.058 kg,减轻了21.17%,在满足使用要求的情况下,提高了材料的利用率。     

带锯机架整体的筋板结构设计与优化

为减小木工带锯机床整体振动,提高加工精度,降低整体质量,对筋板结构建立系统振动数学模型,根据运动微分方程对筋板结构单元进行动态性能和载荷分析,得出最适合该机床的筋板结构类型,并采用三维建模软件对机床机架进行参数化建模。根据实际工况,采用ANSYS对机架整体进行有限元静力学分析。基于静力学仿真结果,采用拓扑优化方法对机架进行轻量化设计,并对机架尺寸提出修改和优化方案。研究结果表明,井字形筋板结构和T字形筋板结构为该机架的最优筋板结构单元,且满足刚度和强度要求;通过轻量化设计使机床整体质量下降16.9%,实现轻量化目标。     

基于灵敏度分析和评价方法的喷雾机机架轻量化设计

为了有效地解决喷杆喷雾机机架的生产成本与其工作性能的之间的矛盾,对机架进行多目标结构优化设计。由机架静力学分析结果可知机架有轻量化的空间和扭转工况下的变形量过大的问题。针对机架结构,运用拓扑优化,改进其结构,在灵敏度分析和评价方法确定设计变量的基础上进行机架的多目标的尺寸优化设计并验证优化后模型的强度和刚度,优化后的机架质量减少23.8%和扭转工况下的变形量减小23.7%,证明了此优化方法的有效性。     

基于逆向工程和拓扑优化的转向节轻量化设计

逆向工程与拓扑优化技术广泛应用于汽车零部件轻量化设计,特别是结构轻量化、工艺轻量化等方面。采用逆向工程和拓扑优化方法对某型车辆转向节进行了轻量化的研究。首先采用逆向工程,在转向节的外表面喷涂显像剂,运用手持式三维扫描仪对转向节进行数据采集,基于Geomagic Wrap软件完成转向节点云数据的优化,点云数据封装,建立起转向节三维模型;其次确定转向节优化的边界,对转向节开展静力分析,根据转向节装配要求与设计经验,重构出转向节优化设计空间,以最小体积为优化目标,采用变密度法完成转向节的拓扑优化设计;然后根据拓扑优化设计结果,结合结构制造工艺,重构转向节结构,并开展有限元静力分析验证,最终实现了转向节的轻量化设计。     

质子治疗装置旋转机架斜梁的拓扑优化

应用拓扑优化中连续体独立连续映射(ICM)法,建立以质量最轻为目标函数、以质子治疗装置旋转机架斜梁结构设计域的位移和应力为约束条件的拓扑优化模型,并以Hyper Works及Opti Struct为工具,对斜梁进行结构优化设计,得到斜梁在三种工况下的材料最优分布图。比较三者的优化结果,根据优化方案对初始结构进行重构设计。研究结果表明,改进后的斜梁结构保证了质子治疗装置旋转机架的结构强度和刚度,质量减轻了9.8%,实现了轻量化设计。     

剪式单元可展机构静力学分析与拓扑优化设计

利用矩阵凝聚法,推导出了一种五自由度剪式单元的有限元模型,并对一种圆柱式折叠结构进行了静力学分析。将拓扑优化中的SIMP法引入到可展机构的优化设计中,对可展机构进行了拓扑优化研究。分别以结构柔度最小化和结构效率最大化作为优化目标函数,对圆柱式折叠结构进行了拓扑布局优化。优化后的结构质量大大减轻,而结构效率得到提高。对结构的动力学性能进行了探讨。研究结果对可展机构的轻量化设计有一定帮助。     

履带车辆车架的优化设计

建立了履带车辆车架的有限元模型并进行了多工况静力学分析,针对履带车辆车架应力分布不均匀现象,以各工况载荷下对应的柔度最小作为目标函数,体积和应力作为约束条件进行拓扑优化,得到了合理的车架拓扑结构。为进一步优化梁结构截面参数,以质量最小为目标函数,结构应力为约束条件,对车架进行尺寸优化设计,得到了满足强度要求的车架结构,并取得了良好的轻量化效果。该优化方法同样适合其他模型,对车架结构的改进方式具有指导意义。     

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。     

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。     

基于拓扑优化与6σ稳健性的检修工装支撑座轻量化设计

为了充分发挥踏面制动单元(TBU)检修工装支撑座的轻量化潜力和提高优化设计的可靠性与稳健性,提出将拓扑优化与6σ稳健性优化相结合的优化策略。通过基于变密度法的拓扑优化设计,提取支撑座的拓扑结构。基于中心组合试验设计方法和有限元数值模拟技术建立系统的响应面模型。基于该模型建立支撑座的6σ稳健性优化设计模型,并采用序列二次规划法进行优化求解,利用均值一次二阶矩法获得优化结果的可靠度并转化为相应的σ水平。结果表明,优化后的支撑座各设计变量、强度和刚度的可靠度均为1,均达到了8σ水平,减重率达67. 0%,轻量化效果显著;且与拓扑优化后对其进行传统的确定性轻量化设计相比,该方法不仅使支撑座的强度和刚度得到了增强,而且还提高了优化设计的可靠性、强度与刚度的稳健性和重量的一致性。证明了该方法的有效性。     

减速箱体结构优化设计

为了解决巴哈赛车减速箱体轻量化问题,本文利用CATIA软件建立三维模型,并基于ANSYS软件进行减速箱的静力学分析和拓扑优化设计,结果表明:减速箱壳体优化后为3mm,应力和形变满足材料屈服强度要求,为巴哈赛车的减速箱机械结构轻量化设计提供重要参考。     

汽车变速器箱体拓扑优化研究

在传统的变速箱体的设计方案基础上进行改良,将有限元法以及拓扑优化法融入进新的设计方案之中。利用Optistruct软件的变密度法,以最小柔度为优化目标,以质量、频率、位移为约束条件,对变速器箱体进行结构拓扑优化,并对优化设计的箱体结构进行了强度、刚度分析以及模态分析。分析结果表明:在保证箱体强度、刚度和模态特性的前提下,拓扑优化成功地实现了箱体轻量化设计。     

基于拓扑优化方法的分动器箱体轻量化设计

针对某专用分动器的工作特性,利用有限元法建立分动器箱体的有限元模型,基于箱体静强度和模态分析分析结果,采用变密度法对箱体展开以加权应变能最小为优化目标,位移、体积分数和应力为约束下的结构拓扑优化,在此基础上根据拓扑密度云图对其进行优化设计,优化后箱体质量减轻8%。分析结果表明,优化后的分动器箱体综合性能得到提高,实现了箱体的轻量化设计。     

基于拓扑优化方法的牵引车车架优化设计

建立了牵引车车架的有限元模型并进行了多工况静力学分析,基于OptiStruct软件,对多工况拓扑优化常见问题提出了工程实用的解决方法,实现了牵引车车架结构优化设计.通过优化前后计算结果的对比分析,说明基于变密度法的拓扑优化技术能有效进行牵引车车架优化设计,避免结构设计的盲目性,优化结果为同类产品结构设计提供了参考.     

基于SIMP材料插值模型的某航炮弹箱传动齿轮轻量化设计

为了提高战机的性能,实现航炮轻量化设计的目的,以某航炮弹箱传动齿轮为研究对象,通过基于SIMP(Solid Isotropic Material With Penalization)材料插值模型的拓扑优化方法,建立了以齿轮结构单元密度为设计变量,柔度最小为目标函数,优化前后体积分数百分比和结构平衡方程为约束函数的拓扑优化数学模型,对弹箱传动齿轮进行了拓扑优化研究。根据拓扑优化结果对齿轮进行了结构改进和静力学分析,分析结果表明,在满足结构刚强度以及保持供弹原理不变的前提下,优化后的齿轮结构比初始结构质量减少了15. 4%,最大变形减少了14. 2%,最大应力增加了20. 8%,实现了齿轮结构的轻量化设计。这对于齿轮结构减重具有工程应用价值,并为其他零部件轻量化设计提供了参考。     

烟秆拔秆破碎机机架轻量化设计与动静态特性分析

研制了一种具有烟秆拔秆、输送和破碎抛送等功能的一体式烟秆拔秆破碎机,其机架是影响整机质量和功率消耗的关键部件之一。为减轻机架质量并分析其振动特性,以机架为研究对象,建立机架有限元模型,进行静应力分析及模态分析。在有限元分析基础上,采用拓扑优化和多目标优化的两级优化方案对机架进行轻量化设计,根据优化结果进行机架结构改进、样机加工和开展相应的振动特性验证试验。结果表明:优化后机架最大应力下降34. 22%,质量下降13. 09%;同时,优化后机架功率谱振幅峰值基频为11. 719 Hz,烟秆拔秆破碎机各部件工作时转速的激振频率均低于16. 33 Hz,远低于机架的一阶固有频率27. 591 Hz,机架不会发生共振,轻量化设计后的机架结构具有良好的可靠性。     

池边检查主工作平台多目标拓扑优化设计

为满足池边检查主工作平台轻量化设计的要求,采用多目标拓扑优化理论,对池边检查主工作平台进行结构优化设计。首先,运用线性加权法,将结构柔度最小和固有频率最大的多目标拓扑优化模型转化为单目标拓扑优化模型;然后,使用HyperWorks的OptiStruct模块进行粗拓扑优化设计;进一步,在粗拓扑优化的基础进行精细拓扑优化设计;最后,对优化前后主工作平台的动静态特性进行评价分析。优化结果表明,在保持主工作平台动静态特性基本稳定的情况下,主工作平台重量减小了4.9%。     

颚式破碎机机架的有限元分析及拓扑优化

基于鄂式破碎机机架重量较大,结构不合理的现状,运用有限元分析软件hyperworks建立颚式破碎机机架的有限元模型;根据颚式破碎机的力学分析对其进行有限元静强度分析;根据有限元分析结果,以颚式破碎机机架的重量最小为目标,颚式破碎机机架的最大应力为约束条件,对其进行拓扑优化设计,得出颚式破碎机机架更加合理的模型,对后续颚式破碎机机架的减重优化和对企业生产有一定的指导意义。     

基于正交试验-组合优化的钢-镁车架设计

以某国产SUV车架为研究对象,建立车架的有限元模型,运用OptiStruct对车架进行弯曲、扭转刚度和模态分析,并进行模态试验,验证模型的有效性。利用正交试验法确定材料轻量化部件,并将这些部件的钢材料替换成镁合金,得到钢-镁车架。针对钢-镁车架刚度和模态性能的减弱问题,采用拓扑-形貌组合优化方法对部件进行优化设计,提高了车架的刚度和模态性能。设计结果表明,使用镁合金结合拓扑-形貌优化方法,设计的钢-镁车架相比原车架在质量减轻19.0kg的同时,刚度和模态性能得到一定的保证。