基于龟壳结构的深孔钻床床身筋板仿生优化设计

生物体的结构能够以轻质高效的材料分布满足较好的力学性能,为机床关键件的结构选型提供了1种新方法。针对Z8016深孔钻床床身传统的筋板布局,结合乌龟壳结构的构型规律,利用结构仿生的方法对其进行了优化设计。首先对原型床身进行了有限元分析,根据其应力、变形云图结合龟壳结构的构型特点,确定了1种拱形与竖直筋板相结合的新型床身筋板结构,并对仿生结构进行了静力及模态分析。结果表明,相对于原结构,仿生型筋板结构的最大变形减少了11.11%,质量减少了6.44%,比刚度效能提高了18.88%,前5阶固有频率平均提高了3.27%,静动态性能均有显著提高,且实现了轻量化设计。     

立式加工中心工作台仿生布筋设计与静刚度研究

针对高速立式加工中心工作台的轻量化设计要求,设计了三种不同的布筋方案,绘制了其三维模型,分析了不同布筋工作台的静态性能,得出了各向静刚度及平均复合静刚度,其加强型布筋和均匀型布筋工作台分别比原型仿生布筋工作台提高了7.88%和4.19%,质量分别增加了13.48 kg和14.45 kg,但加强型筋板的单位质量刚度比原型提高了2.1%,均匀型筋板有所下降,进而说明了仿生结构对于工作台的轻量化有重要意义。     

基于APDL和分层优化技术的高速加工中心工作台的仿生优化

针对高速加工中心高加工精度和轻量化的设计要求,设计了两种有不同筋板结构的工作台,一种采用传统设计方法,另一种基于仿生学的设计;基于CAD/CAE一体化技术对其进行有限元分析;基于APDL和分层优化技术对优势明显的仿生设计工作台的筋板的尺寸进行了优化,得到了筋板的最优尺寸;通过静态分析和模态分析验证了优化方案的优越性,为实际生产提供指导,通过对生物优异特性的模拟、整理、分析、提炼,从而构思设计出具有类似于生物特征的一种新的设计思维的方法。     

大型机床工作台的动态性能研究及结构优化

设计了用于大型落地镗铣床的新型工作台,利用ANSYS对工作台整体进行结构优化,根据可去除材料的分布云图,得到了工作台内部筋板的布置以及筋板上出砂孔的位置.对基本筋格单元进行变量的动态优化,研究了筋格结构参数对筋格固有频率的影响及筋格相关参数对工作台整体的影响,再次优化后得到理想的工作台筋格结构.优化后的工作台能减轻质量、提高刚性及动态性能.     

机床结构轻量化设计研究进展

对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。     

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ANSYS Workbench的龙门式加工中心横梁的轻量化设计

用Solid Works三维软件建立龙门式加工中心横梁结构的立体几何模型,其中横梁内部的筋板布置采用"O"型筋板,按照分析方案的设计,将三维模型导入到ANSYS Workbench中进行静力学分析以及模态分析,分别得到其静变形参数和前六阶模态振型;通过灵敏度分析得出最终设计变量,就是以横梁上下左右壁厚、中间O型筋板、后壁筋板、两边O型筋板厚度为设计输入变量;以横梁质量、横梁总变形、横梁一阶固有频率为设计输出变量,得到筋板最优尺寸参数。使其横梁结构总变形减少16.02%,1阶固有频率提高2.94%,质量减少129.9 kg,占比8.3%,实现了龙门式加工中心横梁结构的轻量化设计。     

大型龙门加工中心横梁非变结构多参数轻量化分析

针对某大型龙门加工中心的横梁进行多参数轻量化设计。对横梁结构进行有限元分析得出其初始的受力及变形情况。在保证横梁结构不变的情况下,以横梁的最大变形为约束条件,选择横梁的筋板厚度、出砂孔孔径等7个结构参数作为设计变量,运用实验设计法对横梁进行轻量化设计。得到在横梁结构不变的条件下,7参数联合优化设计的设计变量参考值以及横梁总质量的响应变化值,优化设计的最优结果为横梁变形增加1.81%的同时质量减轻2.97%。     

带Pro/E与ANSYS接口的机床床身抗振分析与优化

对VMC1000机床床身进行三维建模,使用接口技术将两种有不同筋板结构的工作台导入ANSYS中进行分析,一种是传统结构,另一种仿生结构;首先对两种机构进行静态性能分析对比;然后对较好结构工作台的结构参数进行了分层优化和抗振分析;得出了最优方案,真正帮助设计工程师设计出创新和可靠的产品,是计算机应用技术的生动表现。     

轻质多孔结构在机床工作台中的应用研究

将轻质多孔结构应到高速立式加工中心的工作台结构中,设计出了一种新型的机床工作台—多孔结构工作台,与原工作台相比多孔结构工作台的总质量减少了16.337kg,从而减小了高速加工过程中产生的惯性力,并对两种不同结构的工作台分别进行了静力学分析和模态分析。分析结果表明:多孔结构工作台比原工作台的最大静变形减小了20.9%,并且多孔结构工作台的前6阶固有频率平均增加87.33Hz,最大增加了191.56 Hz;说明将多孔结构应用到机床工作台中的方法是有效的,这将为改变传统的工作台筋板设计提供一种新的思路。     

小型翼结构仿生设计与试验分析

小型翼结构设计主要是确定翼梁、翼肋的形式、分布和尺寸,以满足机翼结构强度、刚度要求.生物骨架以其结构、材料的合理分布和组合满足生物体的多种功能需求,为飞行器结构仿生设计提供了不竭灵感.叶脉形状为椭圆形空心管,并且尺寸沿轴线逐渐减小,最主要结构特征是倾斜、交错、分叉,以适应不同部位应力分布特点.在分析小型翼结构设计特点的基础上,借鉴叶脉结构特征,利用相似原理,设计仿生型机翼结构.有限元分析表明,仿生机翼比原型机翼具有更高的结构效能.采用选择性激光烧结(Selective laser sintcring,SLS)技术制作原型与仿生型机翼样件,并对其进行静力弯曲试验,与原型机翼相比,仿生型机翼质量、变形、应力都相应减少,证实了小型翼结构仿生设计的有效性和有限元分析的可靠性.     

Sheet metal plate design: a structured approach to product optimization in the presence of technological constraints

Geometrical optimization of structural components is a topic of high interest for engineers involved with design activities mainly related to mass reduction. The study described in these pages focuses on the optimization of plates subjected to bending for which stiffness is obtained by a pattern of ribs. Although stiffening by means of ribs is a well-known and old technique, the design of ribs for maximum stiffness is often based on practice and experience. Classical optimization methods such as topological, topographical and parametric optimization fail to give an efficient design with a reasonable programming effort, especially when dealing with many and complex constraints. These constraints are both technical and technological. A most promising technique to obtain optimal rib patterns was to define a set of feasible rib trajectories and then to select the subset with the most efficient combinations. The result is not unique and a method to select the optimal patterns is required. In fact, the stiffening effect increases with increasing rib length, but at a greater cost. A trade-off must be found between structural performance and cost: The tools to guide this selection process is the main objective of the paper, with particular attention in evaluating the stiffening due to the presence of beads on the plate with a close link with the production system and possible technological constraints which can occur during manufacturing processes, such as minimum rib distance or the presence of discontinuities or the presence of holes or other elements on the plate. A special tool with enforced rib cross section is considered, and optimal rib deployment has to be found. Numerical examples attached show the methodology and obtainable results.     

汽车发动机顶盖模具轻量化的结构分析

本文基于ANSYS强大的求解器和前、后处理功能,并应用其参数化建模、结构分析和优化设计等模块功能对汽车发动机盖凹模的结构进行分析。通过分析揭示了冲压模具应力—应变和弹性变形的分布情况。本文根据静力分析结果对模具的一些筋板结构进行了尺寸优化以实现模具结构轻量化的目的,为模具的改进设计提供了理论依据。     

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动,提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象,结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法,引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量,考虑筋条和阻尼材料的体积约束,建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型,实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例,验证了所提方法和模型的有效性。     

吸能式汽车保险杠轻量化设计分析

在汽车保险杠原始结构的基础上,进行了轻量化设计.利用ANSYS/LS-DYNA软件对原始保险杠及其轻量化结构在低速碰撞过程中的动力响应特性进行了数值仿真,结果表明：原始保险杠在低速碰撞条件下应力分布不均匀,而加强筋保险杠和波浪加强板形保险杠耐撞性、能量吸收性更好,其应力分布较均匀,并且波浪加强板形保险杠性能优于加强筋保险杠.     

一种流体驱动式模块化软体仿生象鼻关节变刚度结构设计及仿真分析

在兼顾软体抓持装置顺应性的前提下,为进一步提升其承载能力,提出一种采用磁流变液变刚度控制的流体驱动式模块化软体仿生象鼻机构。建立了仿生象鼻关节变形量和刚度理论数学模型;利用有限元分析方法基于Yeoh模型对不同结构参数的仿生象鼻关节进行了变形仿真分析,在相同压力下优选出了变形量最大的模型结构和确定了最佳输入气体压力值;对关节变形后两端电磁铁的叠加磁场分布进行了有限元仿真,通过分析磁场分布均匀性初步确定了两端电磁铁形成磁场的最佳距离即关节长度;最后对不同长度关节进行了变形仿真分析,综合考虑磁场分布均匀性和变形量,通过两者的最优组合确定最终关节长度,验证了仿生象鼻的多自由度变形和可变刚度特性。     

自相似仿生层次多胞薄壁管的耐撞性研究及优化

仿生结构以其优异的力学性能被广泛的应用于各种机械结构中。为了提高薄壁结构的耐撞性,将结构仿生学概念引入其结构设计中,提出了一种新型的多胞薄壁吸能结构。采用了理论和数值模拟技术对0~2阶次层次截面的薄壁结构进行对比分析,结果表明:随着仿生层次结构的不断增加,仿生薄壁结构的吸能特性与变形模式进一步提升。同时,结合响应面法和遗传算法对2阶层次截面的薄壁结构进行了优化,并得到了相应的Pareto前沿图,为薄壁结构的耐撞性设计提供了新思路。     

基于边缘纤维屈服准则的薄板结构加强筋的优化设计法

提出一种基于边缘纤维屈服准则的薄板结构加强筋的优化设计法,在给定荷载及支撑的条件下,用壳单元模拟薄板壳,用梁单元模拟加强筋,并根据梁的边缘纤维屈服准则给出加强筋截面高度的修改公式,通过结构重分析不断修改梁单元的尺寸,使每个梁单元的边缘纤维达到屈服,满足迭代收敛准则后删除截面高度小于阈值的梁单元,获得薄板结构加强筋的新的分布形式并提高阈值.在加强筋的新的分布形式基础上进行下一轮优化设计.当阈值达到阈值上限时优化设计结束,从而获得最终的加强筋的分布形式及其截面尺寸.算例表明该方法简单有效,计算量小.     

基于结构仿生的飞行器支架轻量化设计

基于结构仿生的原理,在分析典型分支结构的构型特点的基础上,设计了仿生型支架结构.有限元分析的结果表明,与原型结构相比,仿生型结构的质量减轻7.35％,最大应力和最大变形都明显减小.     

生物体承力结构的仿生设计研究概况

介绍了仿生设计的由来及发展过程,并对生物体承力结构从力学特征上进行了分类,综述了在机械工业、建筑行业上关于生物体承力结构的仿生设计研究概况、存在的问题和应用前景。