应急监测拖车车身骨架结构分析与轻量化研究

运用有限元分析理论,在ANSYS Workbench有限元软件中建立应急监测拖车车身骨架结构的有限元模型,并对其进行静力学分析和模态分析。根据分析结果采用拓扑优化方法对应急监测拖车车身骨架进行拓扑优化设计,根据拓扑优化结果并结合车身骨架的设计和制造工艺要求,对车身骨架结构重新进行布局和设计,得到优化后的车身骨架结构。通过相对灵敏度分析找出对车身骨架性能不敏感但对车重敏感的设计变量,采用多目标尺寸优化的方法对应急监测拖车车身骨架结构进行轻量化设计,并对其在水平弯曲、极限扭转、紧急制动和紧急转弯4种典型工况下的性能进行对比。结果表明:优化后的车身骨架在满足各项性能要求的前提下,实现减重86.57 kg,减重率为14.08%,取得了一定的轻量化效果。     

基于拓扑优化和Kriging模型的前中盾结构轻量化设计

前中盾是盾构机的重要部件,其结构尺寸大、服役环境复杂,因此,在保证结构强度的前提下进行轻量化设计至关重要。针对某型号泥水平衡盾构机的前中盾,通过拓扑优化和尺寸优化实现轻量化。对现有前中盾结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果进行二次设计;针对二次设计后的前中盾结构,构建尺寸优化模型,利用正交试验和方差分析筛选出对性能响应（前中盾质量、最大变形和最大应力）影响较大的结构参数作为设计变量,并通过最优拉丁超立方采样和有限元分析获得45组样本点,由此构建设计变量-性能响应隐式关系的Kriging代理模型;通过序列二次规划算法对前中盾尺寸优化模型进行求解获得最优的尺寸参数组合。验证结果表明,前中盾经过拓扑优化和尺寸优化后,质量减小约30 t,降幅达3.1%。     

一种基于OptiStruct-Abaqus的航空齿轮腹板轻量化设计方法

基于结构优化软件OptiStruct和商用有限元分析软件Abaqus,结合拓扑优化、尺寸优化和有限元接触分析等相关理论,针对航空齿轮轻量化设计问题,创新性地提出了一种齿轮腹板结构轻量化设计方法。以某型航空发动机附件传动齿轮为研究对象,基于OptiStruct软件对腹板结构进行拓扑优化与尺寸优化减重设计,利用Abaqus软件对齿轮进行接触性能计算,给出腹板结构轻量化设计的流程和关键技术。结果表明,在保证强度和传动误差要求条件下,齿轮整体质量减轻了39. 6%,减重效果明显,实现了齿轮轻量化设计目的。     

面向轻量化的重型卡车板簧压板优化设计

根据企业对板簧压板进行更换原材料QT500-10为ZG650-830的要求,为降低成本,需对其进行轻量化设计。采用Ansys Workbench建立了板簧压板的参数化有限元模型,以其内腔相关参数为设计变量,通过实验设计生成设计参数样本空间,经有限元求解得到样本点的响应面,同时通过对设计变量的灵敏度分析,确定结构参数优化方向。采用乘除法给出多目标优化的数学模型,利用Workbench进行尺寸优化设计,得到板簧压板的一次轻量化模型;然后对一次轻量化模型进一步进行拓扑优化,得到其最终轻量化模型。研究表明,轻量化后的板簧压板满足强度与刚度要求,结构安全性能提高,与原结构相比减重比达26.78%。     

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。     

基于区间分隔的卡车车架轻量化设计

采用拓扑优化方法进行轻量化设计时,若模型较大,则直接拓扑计算的结果会比较混乱,针对此问题,提出一种基于区间分隔的车架轻量化设计方法。先根据使用要求把拓扑区间分隔成几个小的区域以使计算结果更加清晰;然后采用基于拓扑计算的高强度螺栓优化布置方法以bar单元模拟螺栓并计算其相对密度;最后,根据计算结果准确地确定零件中高强度螺栓的位置。在对某型卡车车架结构进行轻量化设计的过程中,始终以保证其刚度和强度等性能满足典型工况的使用要求为前提,同时根据设计目标的不同不断调整、细化设计变量与约束条件,再综合使用拓扑优化和尺寸优化法求解。结果显示,该车架优化设计后总质量减小了60.4kg,减重率超过10%。     

基于拓扑和形貌优化的汽车发动机罩板设计

提出了一种汽车发动机罩板的优化设计方法。该方法包括基于拓扑优化的最优材料分布设计和基于形貌优化的最优压延筋设计,在轻量化设计的同时使结构的力学性能得到提高。在设计过程中,采用加权的方法处理优化设计的多工况问题。根据优化结果建立内板结构的优化模型,并将优化模型与原设计模型进行比较,结果表明,优化模型在横向弯曲工况、侧向弯曲工况和扭转工况的结构应变能分别降低18.89%、64.30%和49.79%,结构减重约20%。     

集装箱吊架结构优化设计

采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化对集装箱吊架进行优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计,并在局部再一次进行拓扑优化,改善局部的拓扑结构。利用最终得到的吊架的拓扑结构建立新的有限元模型,综合运用形状优化和尺寸优化;以质量最小为优化目标,吊架的刚度和强度为约束条件,实现吊架的减重。通过综合三种优化方法,不仅提高了吊架的性能,而且大大降低了吊架的质量。     

某型机翼翼梁结构优化设计研究

在进行某型飞机机翼翼梁设计时,在翼梁拓扑优化中,基于有限元分析方法建立了以翼梁腹板的最小柔顺度为目标函数、以体积分数为约束条件、腹板单元密度为设计变量的数学模型,通过对翼梁腹板进行拓扑优化获得了翼梁刚度提升的结构形式;在翼梁尺寸优化中,建立了以翼梁体积最小为目标函数、以梁的许用应力为约束条件、单元厚度为变量的数学模型,并进行了主梁/后梁结构的尺寸优化。优化后主梁、后梁结构减重分别达26.5%及27.7%,一阶频率分别从1.17 Hz和4.34 Hz增加至2.26 Hz和4.59 Hz。初步实现了机翼翼梁结构的轻量化设计目标。     

车载一体化配料装置上臂架结构优化设计研究

以某重点项目的车载一体化配料装置上臂架为研究对象,针对其轻量化、稳定性好、翻转可靠的性能要求,对其进行结构拓扑优化及尺寸优化。根据优化后的结果确定了臂架侧面腹杆以及底面连杆的具体布局和截面尺寸参数,然后把优化结果和实际市场主流尺寸规格相结合重新构建上臂架模型。最后数值分析表明：在保证上臂架力学特性的前提下,该优化方法减重147kg,节约了21%的材料,满足轻量化要求,最大变形量降低6mm,增强了结构的稳定性,最终实现优化的目标。