Solidworks结构分析在水下机器人设计中的应用

介绍了Solidworks结构分析插件simulation的基本功能,利用该插件的有限元分析功能,对水下机器人推进器支撑架和耐压壳体进行了应力分析,并依据设计目的对部件进行了结构优化,结果表明,Solidworks Simulation应用于水下机器人设计可简化设计流程,提高设计效率,能够得到接近于水下机器人实际应用的分析结果。     

大深度同振式矢量水听器耐压结构设计

针对当前矢量水听器工作深度小,无法在水下滑翔机、剖面浮标等大深度水下无人平台上应用的问题,设计了一种大深度同振式矢量水听器的耐压结构。通过分析同振式矢量水听器的拾振原理可知,在设计大深度矢量水听器时,要在满足耐压要求的前提下,使其平均密度与水相当,并使其体积尽量小。采用胶囊形铝合金薄壳方案设计耐压结构,并对该结构的强度失效和稳定性失效临界压力进行了理论计算和有限元仿真,计算和仿真结果显示该耐压结构能够承受20 MPa的压力。最后对矢量水听器样品进行了声学性能测试和耐压测试,该矢量水听器声学性能良好,耐压能力为20 MPa。海上试验表明,该同振式矢量水听器可以在"海燕-Ⅱ"水下滑翔机等大深度水下无人平台上应用。     

水下机器人耐压壳体结构优化

基于响应面法对水下机器人耐压壳体结构优化,以耐压壳体结构5个尺寸为优化变量,借助ANSYS求解结构应力响应数值,利用组合试验缩小优化变量范围后进行响应面试验设计,优化约束条件为耐压壳体强度和稳定性满足要求,目标函数为壳体质量最小,利用Design-Expert试验设计软件进行响应面优化求解,将结果与利用1st Opt数值计算软件得到优化数值对比,最终优化结果为耐压壳体质量降低15.52%,且壳体满足强度和稳定性要求,达到优化目的。     

基于代理模型的水下滑翔机机翼设计优化方法

在复杂工程系统的概念设计优化中,高精度数值分析方法得到广泛应用,将高精度数值分析与优化方法有机结合,对设计空间展开全面搜索与寻优,已经成为现代设计优化方法的重要发展方向。以水下滑翔机的概念设计为研究对象,引入代理模型,控制高精度分析试验的数量,有效地化解精度与效率之间的矛盾。将参数化几何建模、网格划分以及流体数值模拟分析集成为自动分析流程,并以此为基础采用试验设计理论,构建代理模型,解决水下滑翔机机翼的多目标设计优化问题。给出基于代理模型的设计优化过程,并系统地比较几种试验设计方法的适应性,重点讨论多项式响应面和径向基函数代理模型,所得代理模型相对误差小于2%。采用梯度寻优方法与遗传算法在给定设计空间内进行全面搜索,获得机翼的最佳平 面构形,水下滑翔机的升阻比提高6.76%,俯仰力矩的绝对值由0.276 0 N•m降低为0.001 5 N•m,提高水下滑翔机的运动性能。     

汽车驱动桥壳有限元分析与轻量化设计

以某重型卡车后驱动桥壳为例,基于Solid Works建立了桥壳的三维参数化模型,运用Workbench对其进行了静力强度、振动模态和疲劳寿命的有限元分析,得出桥壳的应力分布、前5阶固有频率和振型以及疲劳寿命图。有限元分析结果表明:桥壳在刚度和强度上存在较大的裕度。在此基础上,采用目标驱动优化方法,建立了以桥壳质量最小为设计目标,以强度和变形量为约束条件的优化模型,进行了轻量化设计。优化结果显示:桥壳质量减轻了18.03kg,减轻约7.6%,轻量化效果明显。最后对轻量化后的桥壳进行了振动模态、疲劳寿命的有限元验证,以及桥壳的台架试验验证,验证结果共同表明桥壳的轻量化设计是可行的。     

柱状耐压结构参数化分析与多目标优化研究

为提高柱状耐压结构设计效率与性能,确定了强度及稳定性分析方法,对于初始方案进行了分析.利用Python语言针对Abaqus软件进行了二次开发,利用iSight软件对于Abaqus进行了集成,设计了耐压结构参数化分析流程,可实现柱状耐压结构的自动建模与分析.利用最优拉丁超立方方法进行了样本点的选取,对于设计变量进行了灵敏度分析,拟合精度对比表明响应面模型的精度最高,得到了基于四阶响应面的柱状耐压结构近似模型.建立了柱状耐压结构多目标优化模型,利用第二代非支配排序遗传算法进行了求解,结果表明优化方案在重量降低的同时,极限强度得到了大幅度提升,提高了柱状耐压结构性能.     

于ANSYS对混合驱动水下滑翔器耐压壳体设计及分析

对混合驱动水下滑翔器的耐压壳体进行了设计计算与有限元分析。首先对耐压壳体的材料、结构进行了选择设计,然后分别对耐压壳体壁厚、失稳、变形方面进行了设计计算,从而验证了结构、尺寸确定的理论可靠性。最后,通过对混合驱动水下滑翔器的耐压壳体中最危险部分进行强度和屈曲有限元仿真,得到分析结果与设计计算结果基本一致,从而验证了耐压壳体的设计是合理的、可行的,为混合驱动水下滑翔器的实体试验提供了很大的借鉴价值。     

水下机器人耐压壳体O形圈密封性能有限元分析

由于水下机器人工作环境的特殊性,对其耐压壳体的密封性能有严格要求,而其O形密封圈在其中起到至关重要的作用。文中基于橡胶密封结构的非线性有限元理论,应用有限元分析软件ABAQUS建立O形密封圈的二维轴对称模型,对某水下机器人耐压壳体中O形密封圈在设计条件下的受力情况及特性进行了分析,得到了在设计水深条件下的O形密封圈变形情况、应力分布及最大接触压力。结果表明：密封面上最大接触压力大于外部海水压力。通过试验验证了某耐压壳体密封设计的可靠性。     

空铁Y形立柱金属结构多层轻量化设计

空铁作为新型交通方式得到了迅速发展,为实现空铁线路中Y形立柱金属结构的轻量化设计,对线路中的Y形立柱进行了参数化建模,并充分考虑其结构刚度、强度及支腿稳定性对线路安全性的影响,利用ANSYS有限元分析软件分别运用零阶优化方法与多层优化设计方法对Y形立柱金属结构进行优化设计。由优化结果可知,在满足设计要求下,与优化前相比采用零阶优化方法与多层优化设计方法的金属结构重量分别减轻了11.3%和13.8%,在支腿稳定性校核中分别降低了12.1%和24.4%,使结构更加趋于安全。综上所述,多层优化设计方法更适合对Y型立柱进行优化,基本满足降低金属结构重量,提高支腿稳定性的要求。     

起重机快速轻量化设计系统研究及应用

参数化设计和结构优化设计是复杂结构快速轻量化设计系统的核心,也是促进起重机轻量化设计技术在企业推广应用的关键。但是,现有起重机快速设计系统大多以实现参数化设计为主,难以实现结构的自动优化设计。而已公开的优化方法实现过程复杂,且大多采用连续变量优化,结果难以直接运用于实际生产。进行系列化起重机的参数化建模,建立多位置、多状态的载荷模型,集成含零阶优化、参数圆整、局部再优化的二次优化设计方法,开发了具有参数化设计、轻量化优化等功能的起重机快速轻量化设计系统,并完成了箱型门架的快速轻量化设计系统与软件。应用结果表明,该系统显著缩短了设计周期,减少了设计人员的大量繁琐计算工作量。仅对部分截面尺寸进行优化,虽然门架应力应变在容许范围内有所增加,但整机质量下降10.5%,节约了后期成本。     

准等强度原则下压力容器不连续区的优化设计

提出一种压力容器不连续区基于分析设计的准等强度设计原则。以高压球壳接管整体补强锻件为例，建立准等强度原则下的优化数学模型，利用有限元程序ANSYS提供的参数化设计语言APDL及优化模块OPT，进行优化计算，实现压力容器不连续区分析设计意义上的结构优化设计。     

基于响应面法的动力电池包箱体轻量化优化设计

为了满足电动汽车电池包箱体高强度、轻量化的设计要求,提出了一种基于数值优化与有限元仿真相结合的动力电池包箱体轻量化设计方法。以电池包箱体各部件的厚度为设计变量,箱体质量最小化为优化目标,三种典型路面工况下箱体的最大等效应力、最大变形量和箱体结构的第2阶约束模态频率为约束条件,建立了箱体轻量化优化数学模型。利用Box-Behnken试验设计获得了5个设计变量3个水平的数值模拟试验组合,采用多元回归分析和帕累托方差分析拟合得到了多项式响应面近似模型,并引入到轻量化优化数学模型中进行了迭代优化,结果表明:优化方案的电池包箱体质量比原方案减少了7.4%,典型路面工况下最大等效应力降低了18.6%、最大变形量减小了22.5%,箱体结构的第2阶约束模态频率提高了14.8%。     

蜂窝夹芯板参数化建模与优化设计

在蜂窝夹芯板的有限元分析过程中,为提高结构的建模和分析效率,基于有限元软件开发参数化建模与分析模块,可以完整地进行蜂窝结构的建模、分析、校核与后处理,使蜂窝结构的有限元分析过程流程化、高效化。在此基础上,以质量轻量化为目标,以结构强度为约束条件,基于MATLAB使用遗传算法、罚函数法、模式搜索法对蜂窝结构进行尺寸参数优化设计。结果显示,所开发的参数化建模及优化设计模块可极大地提升蜂窝结构的优化设计效率。     

基于BP神经网络的侧碰多目标优化设计

采用拉丁方试验设计方法对汽车侧围关键吸能部件的材料和板料厚度进行了多参数空间的样本数据设计,结合近似技术和多目标遗传算法,提出了一种基于BP神经网络模型的侧碰多目标优化方法。研究结果表明:该方法在满足侧碰法规GB20071的基础上,既能提高侧围结构对乘员的保护性能,又能实现其轻量化目标;BP神经网络模型的精度和效率较好地满足了工程要求。     

某牵引火炮后大架轻量化设计

针对后大架的轻量化设计,建立了一种基于全炮总体结构下的动力学参数化模型,采用拉丁方实验设计方法。得到描述设计响应与设计变量之间关系的Kriging近似模型。在此基础上,采用多岛遗传算法对后大架结构参数进行优化,获得了优化后的后大架质量最优解,该建模策略及优化思路对火炮各部件结构设计及轻量化具有指导意义。     

机电一体化车轮轮毂有限元优化设计

机电一体化车轮将永磁同步轮毂电机、减速装置、制动装置以及润滑冷却系统、车辆悬挂、转向接口等零部件直接与车轮集合成为一体,是体现电动和混合动力车辆性能和运用优势的关键和必要技术之一。本文针对适用于轮式特种车辆的机电一体化车轮轮毂结构复杂、系统集成度高的特点,采用有限元工程分析方法,进行机电一体化车轮轮毂总体结构的优化设计,解决了各分系统壳体结构以及支撑连接零部件存在的强度问题,然后采用多目标系统综合评价方法进行优化结果的综合评价,提高了机电一体化车轮轮毂的一体化设计水平。     

基于ANSYS的儿童推车结构分析与尺寸优化

现代儿童推车的设计主要以轻量化、易操作和多样型为发展趋势.通过建立儿童推车的常用简化模型规则,实现了新产品快速建模的前期规划;运用有限元法对儿童推车进行骨架的安全敏感性位置分析,并依据结果进行比较提出改进,可通过多接触连接和使用曲杆等方法来减少整车的变形和局部应力过大的情况;以仿真模型进行优化分析,得出圆形杆件是满足轻量化设计的最佳横截面杆件.以上分析结果为基于快速设计方珐的儿童推车多类型产品开发提供了理论支持.     

水下滑翔机低功耗控制系统实现

水下滑翔机是一种低噪声、长续航力的新型水下机器人,是一种有效的海洋环境测量平台。以水下滑翔机为研究对象,分析了水下滑翔机作业过程中的能耗组成,重点研究了水下滑翔机嵌入式控制系统。详细介绍了适用于水下滑翔机的低功耗控制系统的软硬件设计与实现。通过实验对水下滑翔机低功耗控制系统的有效性和稳定性进行了测试。     

水下滑翔器浮力驱动效率分析

水下滑翔器作为一种新型水下机器人系统,由于采用了浮力驱动技术具有续航能力大、效率高、噪声低等优点,对于海洋环境监测与资源探测具有重要的应用前景.基于此,对做匀速滑翔运动的水下滑翔器驱动能量进行分析,给出水下滑翔器驱动效率的概念,并推导水下滑翔器在考虑额外能耗与不考虑额外能耗这两种情况下浮力驱动效率的计算方法,进一步分析影响驱动效率的相关因素和提高驱动效率的途径.通过分析可知,机翼的升阻比与滑翔额外能耗是影响浮力驱动效率的两个主要因素,其中机翼的升阻比是影响驱动效率的最重要因素.为揭示驱动效率和机翼结构参数和机翼形式之间的关系,采用经验公式分析机翼展弦比、后掠角对机翼升阻比的影响,采用流体力学计算软件Fluent6.2对相同面积的不同形式机翼的升阻比进行数值计算.研究结果为水下滑翔器设计提供了依据.