抗弯抗压力学单元设计与力学性能分析

基于SLM(选区激光熔融技术)打印零件轻量化设计的要求,为弥补轻量化结构设计过程中的盲目性和不确定性,利用拓扑优化软件对单元结构进行拓扑优化,提取优化后的单元结构进行再设计得出几种基本单元构型。将几种基本的单元构型填充长方体类构件,利用有限元分析不同单元填充时在不同载荷形式下构件的力学性能,并通过改变单元的尺寸参数、分布密度探究单元结构对构件力学性能的影响。分析结果表明,当主要承载方式为压缩载荷时,拱形单元结构具有较好的力学性能,而当承受弯曲载荷时,在构件应力集中区域增加单元的填充密度可以提高构件的承载能力。当结构设计既要满足构件的强度也要满足轻量化设计时,可以通过改变单元构型的尺寸参数及排布方式得到最优化的设计。     

拓扑优化的数控车削中心床鞍轻量化设计

对数控车削中心床鞍的结构轻量化设计方法进行了研究。基于机床在切削作用下的典型工况,分析其载荷和边界条件;建立体积约束下的床鞍结构多工况静态性能和动态性能多目标拓扑优化数学模型,根据拓扑优化结果构建床鞍的优化概念模型;利用结构优化设计的思想对概念模型进行结构刚度设计,最终为企业提供了新的床鞍结构方案;在保证床鞍刚度和动态性能的前提下,床鞍的质量减少了14.33%,表明该设计方法能够有效实现结构轻量化设计。     

山地车车架结构灵敏度分析及优化设计

采用hypermesh软件建立山地车车架有限元模型,分析了车架在实验载荷工况下的等效应力和变形。使用hyperstudy和radioss计算了该模型在实验载荷工况下最大变形的灵敏度,并提出相对灵敏度绝对值较大的组件的弹性模量和厚度作为轻量化设计变量。在保证一定的强度、刚度条件下,按照高刚度、轻质量的要求对车架组件进行参数优化。根据优化后的参数,在radioss中对车架施加相同的载荷和约束,进行求解,优化后结果明显优于优化前方案。对于多参数结构优化问题,应用优化思路进行结构优化,能减小设计的盲目性和设计成本,加快新产品的设计开发。     

极端服役环境下的风电机组塔架结构参数优化研究

以大型风电机组塔架为对象,开展了极端服役环境下的塔架结构参数优化设计研究。采用壁厚分段式线性变化结构对塔架进行描述,介绍了基于BEM理论的风电机组气动载荷分析方法,运用有限元仿真分析塔架结构参数与极限载荷作用下的应力以及结构参数与固有频率的关联特性,采用支持向量机(SVM)方法分别构建了结构参数与应力、固有频率的快速计算模型。以质量最小为目标,强度、固有频率和边界条件为约束对塔架结构参数进行了设计优化,引入遗传算法(GA)进行优化求解。对某2MW风电机组塔架进行实例设计研究,结果表明优化后的塔架质量减小3.5%。      

蜂窝夹层结构夹芯层的近似设计方法

为了得到合理的能满足不同性能要求的蜂窝夹层结构夹芯层构型,提出一种夹芯层的近似设计方法,通过建立多约束拓扑优化模型,在综合考虑可制造性原则的前提下,对不同体分比下的拓扑优化结果进行近似设计,得到蜂窝夹层结构夹芯层的基本胞元构型,并运用有限元方法对所设计的胞元构型进行性能分析,以进一步验证、修改和完善。最后以电动车底盘甲板为对象,运用Abaqus,实现其蜂窝夹层结构夹芯层的近似设计过程和性能分析,结果表明,在整体重量大幅度减轻的同时,刚度和强度性能也得到了较好的满足。     

柴油机连杆体三维结构优化设计

采用现代设计方法及有限元技术，对某四缸柴油机连杆的结构和主要尺寸参数进行了以质量为目标函数的评估和优化。在保证结构具有足够强度和刚度的前提下，实现了连杆杆身质量的较大幅度降低，所得结论对进一步改进原产品设计具有实用价值和指导意义。     

用I-DEAS对大型钢结构进行参数化有限元优化设计

采用现代设计方法及有限元技术．应用IDEAS软件对某电除尘器底中梁钢结构的主要尺寸参数进行了以质量为目标函数的评估和优化。在保证结构具有足够强度和刚度的前提下，实现了底中梁质量的较大幅度降低，所得结论对进一步改进原产品设计具有实用价值和指导意义。     

桁架式空心风扇叶片结构参数化设计平台开发

针对桁架式内腔空心风扇叶片,运用UG二次开发工具UG/Open API,NX Open C++及C++编程语言混合开发方法,在UG环境中,建立空心叶片参数化三维模型和参数化有限元模型,在叶片有限元网格形式不变的前提下,快速生成叶片有限元模型,有效解决优化过程中网格自动更新问题。在此基础上,自动施加边界条件和载荷,从而实现集造型、分网、分析为一体的自动化设计。实例表明,宽弦空心风扇叶片参数化设计平台不仅可以快速完成空心叶片参数化设计及强度分析,也可为后续开展叶片结构优化奠定基础。     

六自由度隔振平台支架的优化设计

通过三维制图软件UG,设计了一种承载金字塔构型控制力矩陀螺群的支架。然后将支架模型以Parasolid格式导入有限元软件Patran中进行相关前处理,并利用有限元分析软件Nastran对其结构进行优化,使其具有更高的刚度质量比,在同种载荷作用下,等效应力更小,从而符合航空航天对于构件强度高、质量轻的普遍要求。     

光伏跟踪支架檩条结构高刚性轻量化设计

在太阳能光伏跟踪支架系统中，冷弯型檩条结构被用于支撑光伏板，安装位置介于主梁与边框之间。首先构建以结构柔顺度最小为设计目标、单元相对密度为设计变量、体积与一阶固有频率为约束的拓扑优化数学模型，基于SIMP法获得檩条结构的最优布局构型，在此基础上，对拓扑优化构型进行工程化设计，并制造加工出相关结构。然后根据太阳能光伏跟踪支架实际服役于不同风速荷载下的环境，设计分步测试载荷工况，分别对优化前后的檩条结构进行静动态仿真分析，由仿真结果可知优化后的檩条结构在抗弯、抗扭性能以及固有频率方面均得到了提高，从而验证了优化设计方法的有效性。最后采用实验测试方法对优化设计后的檩条结构性能进行验证。研究结果表明，在机械性能明显增强的前提下，檩条结构实现了减重8.8%。     

某矿用车多种工况下的结构分析与优化设计

全面研究了矿用车在多种危险工况下的载荷、约束及其施加方法,完成了某矿用车结构参数化建模、有限元分析,得出了多种工况下车架与车厢结构的应力分布,为在结构重量不变的前提下提高结构强度,先对结构进行了局部调优,而后构建了该矿用车结构自动优化设计的数学模型,采用ANSYS与导重法结合的方法,对矿用车成功地进行了自动优化计算。     

SCS-100TU型电子汽车衡秤体结构优化

针对目前汽车衡秤体结构材料利用率低、质量大的问题,将结构优化设计的方法引入到秤体结构设计中。以U型梁和秤台的几何尺寸为设计变量,秤体的最大挠度为约束条件,秤体整体质量为目标函数,利用参数化APDL语言建立了秤体结构的有限元优化模型,对秤体结构进行了优化分析,从而确定了U型梁和秤台的几何尺寸。研究结果表明,在满足秤体刚度和强度设计要求的前提下,秤体结构优化后的质量比原来的降低了6.7%,实现了降低秤体结构质量的目的,提高了材料利用率。     

抓取机械臂的强度分析和优化设计

以DOBOT Magician机器人机械臂为研究对象,为降低其质量,减少材料消耗,采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方法对其结构的优化设计进行了研究。首先使用建模软件建立三组机器人小臂的参数化模型,将其导入Workbench中进行应力分析和弯曲刚度分析,对三组结果进行对比分析确定危险工况。然后以质量、变形和应力为目标参数对危险工况下小臂的参数进行灵敏度分析,得到对目标参数影响最大的参数,并以这些参数为设计变量,采用响应面优化方法和拓扑优化方法对小臂代理模型进行尺寸和结构优化。优化结果表明：在保障精度和强度的前提下,通过对小臂的轻量化设计,使其质量降低了32.8%,最大应力值降低了21.1%,最大变形减小了24.3%,弯曲刚度增加31.8%,成功实现了小臂的轻量化。同时,该研究也为类似的优化设计提供了一种可行的实施方案流程。     

造波机中横梁结构有限元分析及优化设计

为了实现造波机中横梁结构轻量化,对其模型进行了有限元分析,分析结果显示其刚度和强度均有较大的裕量。基于结构强度分析结果,找出其受力薄弱环节,对横梁模型进行结构优化设计。优化结果表明:在保证许用变形量小于2mm、许用应力小于325Mpa的前提下,对横梁型钢、加强筋及局部进行优化,改进后横梁质量减轻17.8%,且应力分布更为均匀,很好的实现了"重量轻、性能好"的设计目标。此研究方法为横梁的设计及优化提供了依据,具有实用价值。     

摩托车铝合金车轮轻量化研究

摩托车车轮的自身质量会影响操控性能和成本。为了合理设计车轮结构及尺寸,文中采用拓扑优化的方式,合理地选择优化目标、设计约束及相关的制造约束,在保证车轮具有较大刚度和强度的同时,获得材料的最佳分布,从而保证结构有合理的载荷传递路径。基于拓扑优化结果,对车轮的相关尺寸进行参数化,建立参数化模型,最后在参数化优化软件中搭建车轮的优化流程,实现车轮的自动优化。结果表明：参数化优化后的车轮质量减小了13.3%,采用拓扑优化和参数化优化技术能有效提高车轮减重的效率和准确性。     

深水套筒式连接器卡爪机构设计优化

目前我国深水油气的开发技术刚刚起步,锁紧技术还属空白。卡爪作为深水套筒式连接器的关键部件,其结构十分复杂。通过对连接器锁紧机构进行力学分析,研究在同等内部介质压力作用下摩擦因子及其重要角度参数与所需液压缸预紧力的作用关系,并优化出相关参数的推荐值,为今后样机设计提供了理论依据。之后,在Hypermesh中对卡爪模型建模,以Optistruct为求解器,以卡爪最恶劣的服役工况下的载荷为设计基准,对卡爪结构进行拓扑优化,在满足加工工艺和考虑成本的前提下,优化了卡爪上下两端的自由尺寸,优化后卡爪同样满足强度要求,且质量降低了16.1%,到达了轻量化设计的目的。     

大容量永磁发电机组定子轻量化设计

为了实现大容量外转子永磁风力发电机组定子轻量化设计目标,针对定子结构特点和运行过程中的载荷工况,对定子刚度和强度进行了系统分析,得到了定子的应力和变形分布,确定了定子的优化区域.在保证定子刚度和强度满足要求的条件下,运用变密度法对其进行初步拓扑优化设计.在此基础上,通过灵敏度分析确定了对定子质量、刚度和强度影响较大的尺寸参数,进行了响应面尺寸优化.优化后定子的最大应力和最大变形均在许可范围内,质量减少了1 199 kg,减重11.25％,实现了轻量化目标.     

地铁列车转向架静载试验台横梁多目标驱动优化分析

在满足转向架静载试验台刚度和强度技术要求的前提下,采用响应曲面分析方法对试验台横梁结构进行多目标驱动优化分析,通过响应曲面,寻求最优设计方案。通过多目标驱动优化分析,在保证强度和刚度的前提下,实现质量最小化设计。分析证明,通过优化,横梁质量由617.17 kg降低到525.54 kg,而安全因子由2.17提升为2.23,满足设计要求且达到质量最小化、减少成本的目标。     

城市地下建设管廊模具支撑架结构设计与优化

针对城市地下建设分体式管廊模具浇筑混凝土重量大，导致模具支撑架结构存在刚强度不足、质量过大的问题，对支撑架结构静态和动态性能进行了研究。提出以支撑架结构静态载荷下刚度最大和动态低阶固有频率最大为目标，采用折衷规划法和平均频率法对支撑架结构进行拓扑优化，得到结构单元密度图，找出支撑架结构的薄弱位置，进而对支撑架结构尺寸参数设计。通过建立尺寸参数优化的数学模型，对支撑架厚度参数进行优化。分析数据结果表明：优化后的支撑架结构不仅提高了力学性能和抑制振动能力，而且支撑架实现轻量化，质量减轻了26%，达到较为理想的优化目标。     

功能结构一体化技术在雷达结构设计中的应用

在不降低雷达性能指标的前提下,为实现雷达的轻量化,需进行功能结构一体化设计.文中结合功能结构一体化设计的特点,从一体化设计、多目标设计优化算法、结构拓扑构型设计3方面进行了技术分析,并以轻质夹层材料为例,对多功能结构一体化设计与不足进行了分析,给出了改进建议,最后在此基础上总结了功能结构在雷达上的应用方向.对结构多功能化的分析有助于雷达结构的质量和体积最小化.