基于复合优化方法立式数控加工中心的多目标优化设计

为实现加工中心动静态性能不低于优化前性能,达到整机重量最轻的要求,本文提出了一种复合优化方法来研究多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计。采用有限元分析和实验模态测试方法分析各大件动态性能,并验证了有限元模型的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,得出各大件的最大变形及应力等。以柔度为目标,采用变密度法拓扑优化设计立柱结构的外形框架;以固有频率为目标,基于元结构的可适应性动态优化方法设计加工中心的筋板结构;以固有频率和质量为目标,基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最优尺寸。最后将优化后的各大件进行整机装配,分析校核整机动静态性能。分析结果表明,优化后的整机在保证加工中心动静态性能的条件下,整机质量从12749kg减少到12127kg,减重达到4.9%,达到了整机的优化设计要求,说明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

锤片式粉碎机转子结构动态优化设计

运用有限元法对锤片式粉碎机进行了动力学分析,得到了转子的固有频率、模态振型及不平衡响应等动态特性参数。利用灵敏度分析技术研究了各结构参数对转子动态性能的影响程度。以转子重量和不平衡振动响应为状态变量,以转子的固有频率为目标函数对结构进行了动态优化设计。优化结果表明,转子动态性能得到明显改善,为解决粉碎机的振动问题提供了有效的途径。     

动载荷激励下板壳结构加筋自适应成长方法

自适应成长法是基于自然界分支系统形态形成机理的一种高效结构拓扑优化设计方法。通过引入等效静态载荷法理论,运用自适应成长法解决板壳加筋结构在承受动载荷激励下的动态响应拓扑优化设计问题。根据板壳结构所受的动载荷边界条件,构建以动柔度为目标的优化数学模型,推导迭代公式,使板壳结构的加强筋从"种子"开始,沿着使结构最佳力学性能方向成长,从而形成最优加强筋分布形态。研究在简谐载荷和冲击载荷作用下的板壳结构加强筋设计例,并与静态载荷作用下的设计结果进行比较。研究结果表明,板壳结构在动态载荷作用下,其主加强筋布局形态和在静态载荷作用下相同,但在靠近载荷作用点附近出现与主加强筋平行的截面积较小的加强筋,以增加抵抗动态载荷的作用;而冲击载荷作用下的加强筋与一般简谐载荷作用下的加强筋相比,多出一层较复杂的框型筋板抵抗瞬时冲击力。     

考虑装配变形的精密机床床身优化设计

为了减小装配变形,提高机床装配精度,提出了一种考虑装配变形的机床床身优化设计方法。首先,分析了机床装配变形部位和床身装配变形机理,研究了影响机床床身装配变形的因素及其影响规律;其次,基于响应面模型和遗传算法,提出了考虑装配变形的机床床身多目标优化方法,给出了优化设计流程;最后,以经典的机床床身为实例,以床身结构参数为设计变量,以床身质量、装配变形幅值、最大静变形量最小和一阶固有频率最大为优化目标,对床身进行优化设计。结果表明：床身长度和宽度方向的筋板数量和筋板厚度均对装配变形有重要影响;床身优化后,可有效减小装配变形,提高装配精度,同时使床身的质量更小、刚度更大和动态性能更优。研究结果不但为机床基础大件的结构分析与优化设计提供了参考,也为其他类似设备的多目标优化提供了理论依据,具有重要的工程实践价值。     

基于数码摄像技术的高耸结构动态特性监测

在结构健康监测领域,基于数码摄像的图像处理技术作为一种新的结构振动监测方法正受到广泛关注。以主结构建成后的广州新电视塔为研究背景,利用工业数码摄像机对其在一般风荷载作用下的动态特性进行监测试验,并与GPS和加速度计同时测量。数据分析结果表明,利用数码摄像系统获得的塔顶动位移时程曲线与GPS获得的动位移曲线吻合得较好;利用数码摄像技术能够准确的识别高耸结构的低阶振动频率,其获得的结构一阶振动频率,与GPS、加速度计识别结果以及有限元分析结果吻合得很好。研究结果表明,在高耸结构的健康监测中,应用数码摄像技术进行结构动态特性监测是一种有效的新方法。     

基于GPS的高耸结构动态特性监测

在土木工程领域,GPS作为一种新的结构振动健康监测方法正受到广泛关注.以在建的广州新电视塔(塔高610 m)为研究背景,利用RTK-GPS测量技术对其在台风以及一般风荷载作用下的动态特性进行了监测试验,获得了电视塔核心筒顶部一个测点沿其短轴和长轴方向的动位移时程曲线,位移曲线的谱分析结果表明,利用动态GPS观测能精确地识别出高耸结构物的低阶振动频率,其识别结果同加速度计识别结果以及有限元模型分析结果吻合很好.研究结果表明,在高耸结构施工监控和健康监测中,应用动态GPS技术进行环境激励动态特性监控是一种有效的方法.     

基于模糊综合评判的机床床身多目标优化设计

为了提高机床床身的抗振性并减轻质量,对床身进行了多目标优化设计。在CAD软件SolidWorks中建立了某机床床身的几何模型,然后将其导入ANSYS软件中进行模态分析。以床身的质量和前三阶固有频率为目标函数,以筋板厚度为设计变量,建立了多目标优化数学模型,结合粒子群优化算法进行求解后得到四组非劣解。利用模糊综合评判法从非劣解集中挑选出了一组最佳解,将此优化设计方案用于床身的实际制造,从而使床身在质量下降3.18%的同时,前三阶固有频率分别提高7.03%、9.64%、10.73%。研究表明,粒子群算法和模糊综合评判法具有较高的工程实用性。     

基于声振耦合的装载机驾驶室多目标形貌优化设计

对某装载机驾驶室及室内声腔进行建模得到声振耦合模型,通过SIMO法模态试验验证所建模型的准确性,测取悬置点激励力并进行频响分析及室内噪声预测。结合耦合模态频率和噪声曲线峰值频率确定关键优化频率,在驾驶室的最大扭矩工况下进行静力学分析,采用折衷规划法和平均频率法将驾驶室静态整体刚度和多阶关键频率归一为Euclidean距离的多目标函数,对驾驶室进行多目标形貌优化。结果表明:此优化方法在驾驶室结构优化上的应用综合提高了结构整体刚度和多阶关键固有频率,避免了单频优化时频率震荡现象,得到了优化目标的整体Pareto最优解,室内噪声总声压级降低了3.03 d B。     

联合整体和局部动态信息的空间桁架模型修正试验

由于土木工程结构的复杂性、传感器测点的有限性以及局部损伤的不敏感性等问题,大型结构的模型修正存在一定困难。针对空间桁架结构,为克服上述问题,对其进行整体和局部的动力测试试验,然后联合实测的结构整体和局部动态信息进行模型修正：首先进行空间桁架整体的动力测试试验,获得反应整体特性的低阶模态;然后为了提高局部杆件的动态特性,在杆件上附加一定质量,获得附加质量后杆件的局部主频率,并在各类杆件中选取一定数目进行动态测试;最后联合所有实测结构整体的低阶模态和杆件的局部主频率,对空间桁架结构进行模型修正。修正后的模态参数与实测模态吻合良好,验证了方法的有效性。     

考虑接触非线性的航行体出水结构动力学分析

水下发射航行体在出水过程中,随着沾湿表面积减少,航行体与周围流体相互作用而产生时变流固耦合效应,并引起结构动力学特性的变化。同时,考虑到航行体通常采用舱段式结构,各舱段在连接处存在非线性接触问题,对结构动力学特性也存在实质性影响。在考虑上述因素影响的情况下,将航行体简化为Timoshenko梁模型并利用有限元方法对结构动特性和动响应进行计算分析,得到了出水过程时变流固耦合效应及连接刚度非线性对航行体结构固有频率及动力响应的影响规律,在此基础上进一步分析了连接结构、载荷及出水速度的变化对结构动响应特性的影响。     

Parametric study on design of composite–foam–resin concrete sandwich structures for precision machine tool structures

In this paper, sandwich structures for micro-EDM machines are optimized by using parametric study varying composite geometries and parameters like stacking sequence, thickness and rib geometry. The structures are composed of fibre reinforced composites for skin material and resin concrete and PVC foam (Closed cell, Divinycell) for core materials. Column structure was designed by a beam with cruciform rib and performance indices such as static bending stiffness (EI) and specific bending stiffness (EI/ρ) for dynamic stability are examined by controlling the thickness and stacking sequence of composites. For the machine tool bed, which usually has a plate shape, was designed to have high stiffness in two directions at the same time controlling stacking sequence and rib geometry; that is, rib thickness and number of ribs. The sensitivity of design parameters like rib thickness and composite skin thickness was examined and the optimal condition for high stiffness structure was suggested. Finite element analysis was also performed to verify the static and dynamic robustness of the machine structure. L-shaped joint for combining bed and column of the micro-EDM machine was proposed and fabricated using adhesive bonding. The dynamic performance such as damping characteristics was investigated by vibration tests. From the results optimal configuration and materials for high precision micro-EDM machines are proposed.     

桥式龙门铣床横梁结构设计与优化

横梁作为桥式龙门铣床的主要运动部件，其结构设计的优劣直接影响机床整机的工作性能。为此，提出了一种基于正交试验设计、改进模糊综合评价和尺寸灵敏度分析的横梁结构设计与优化方法。针对横梁多因素多水平的结构设计特点，采用正交试验设计挑选出8种具有代表性的参数组合作为横梁结构设计方案。运用改进模糊综合评价法对有限元仿真数据进行处理，确定参数组合为"箱中箱式-井型-20 mm-线轨"的横梁优选方案，并对其关键设计尺寸进行灵敏度分析与优化，得到横梁结构具体的设计尺寸。优化后，横梁的静力学性能和抗振性能得到明显改善，并实现了轻量化设计，对机床横梁的实际制造起到了指导作用。研究结果表明，所提出的横梁结构设计与优化方法具有较强的工程实用性，为数控机床其它关键零部件的设计提供了新思路。     

Optimal layout of internal stiffeners for three-dimensional box structures based on natural branching phenomena

Thin-wall box structures combine an outer wall and internal stiffeners. These stiffeners can improve the stiffness of box structures. The adaptive growth method based on natural branching phenomena is applied to solve this layout optimization problem, in which techniques of ground structure construction, stiffener growth direction control, ‘seeding-line’ selection and sensitivity filtering are studied. First, the ground structure with solid and shell elements is established. Then, an iteration formula based on Karush–Kuhn–Tucker optimum conditions is derived. Stiffeners start at the seeding line and grow gradually according to the design sensitivities. Finally, an optimum stiffener layout is obtained. Draft manufacturing constraints are also included in the design procedure. The validity of the method is verified by several design examples. An actual machine tool bed is redesigned, and the performance comparison between the original and optimized beds shows the superiority of the suggested method.     

机械基础结构多目标拓扑优化设计方法

机械的基础结构在保证具有足够的刚度、强度和稳定性的条件下,经济性也必须要好,因此机械基础结构常采用内部布置有加筋板的箱体结构。以某机械基础结构为例,分别用基于经验设计的内部筋板布置方法和多目标拓扑优化方法进行优化设计,得到了2 种设计方案;比较了2 种方案的动静态力学性能。结果表明,多目标拓扑优化设计的基础结构比一般经验设计的结构,刚度有所提高,而结构质量减小11. 21%,一阶固有频率提高25. 07%。     

硅片机器人大臂结构多目标拓扑优化设计

目的为了改善硅片机器人结构的静、动力学性能,实现结构的轻量化设计。方法引入多目标优化理论,并结合层次分析法,实现硅片机器人大臂的结构优化设计。依据设计方案分析大臂的受力情况,采用固体各向同性材料惩罚模型分别构建多目标优化数值模型,并运用优化准则法进行优化求解。引入数理统计中的层次分析法确定各子目标函数的权重比,依据折衷规划组合方法构造关于静刚度和一阶固有频率的总目标函数。结果优化结果可知,大臂的柔度从26.890 mm/N降到13.221 mm/N,一阶固有频率从556.86 Hz增加到629.90 Hz,结构质量从1.48 kg减少到0.583 kg。结论多目标优化结果表明,基于多目标优化理论对硅片机器人大臂结构的改进设计,不仅有效地提高了其静刚度特性,一阶固有频率的提高说明大臂结构能抑制振动能力的提升,还实现了大臂结构轻量化设计。层次分析法的引入为多目标优化问题中各子目标函数的重要性提供了客观的理论依据。     

碳化硅反射镜轻量化结构优化设计

本文根据某型号碳化硅主反射镜的设计要求，对比了扇形、三角形、六边形轻量化孔对镜体静态、动态性能的影响，选择了综合性能较好的三角形轻量化结构方案，利用有限元方法进行参数建模，将对镜体力学性能和质量影响较大的镜体厚度、面板厚度、筋厚度等结构参数作为设计变量，运用零阶优化方法对镜体结构进行优化设计，得到了轻量化程度高、镜面变形误差完全满足设计要求的碳化硅反射镜体。     

往复式压缩机撬装模块振动分析与优化研究

往复式压缩机是保障页岩气增压外输的重要设备。当压缩机撬装模块的机械固有频率与压缩机激振频率接近会出现共振,处于共振下运行的压缩机撬装模块会发生剧烈振动,长期剧烈振动会引起连接螺栓断裂、缓冲罐开裂等失效现象。基于振动理论,建立压缩机撬装模块振动模型,开展振动特性研究,确定其在1、2阶激振频率范围内的各阶固有频率和振型,掌握压缩机撬装模块振动响应规律,并针对振动剧烈部件进行结构优化设计。结果表明:压缩机撬装模块的管线、循环加热器结构、分离器结构、主机及其附属结构存在较大的共振风险,原压缩机撬装模块共有11阶处于共振频率带范围,优化后为6阶,其中关键部件主机结构振幅最大降低17.9%。优化后的压缩机撬装模块各阶固有频率明显提高,振幅减小,研究结果可为减小机组共振风险和延长压缩机各部件使用寿命提供理论指导。