基于变密度法深孔钻床主轴箱可靠性拓扑优化

以TBT-ML500深孔钻床主轴箱为研究对象,考虑随机因素的影响,通过基于变密度法的可靠性拓扑优化设计方法,进行了考虑可靠性和稳定性要求的结构轻量化设计。在传统拓扑优化的基础上增加概率约束,建立了应力和位移约束下的可靠性拓扑优化模型;以可靠性指标为约束条件,使用一阶可靠性法和Roenblatt逆变换将可靠性拓扑优化问题解耦为可靠性分析和确定性拓扑优化,最后进行变密度拓扑优化。算例分析结果表明:此方法在实现轻量化的同时更好地满足了实际应用中的安全要求,同时为深孔钻床其他基础件的可靠性拓扑优化提供了参考。

基于变密度法考虑制造约束的摇架拓扑优化设计

摇架是火炮的重要组成结构,摇架减重对火炮轻量化研究具有重要意义。以某122 mm口径火炮摇架为研究对象,以合理降低其质量为研究目的,利用有限元软件对其进行强度校核并结合变密度法拓扑优化理论进行了优化设计。优化时考虑可制造性对优化添加了拔模约束和对称约束等条件,使优化后结构更加合理,利于制造。优化后摇架结构质量减少了12.87%,材料利用率更高,对重构模型进行有限元校核,结果显示该优化结构仍旧可靠。结合增材制造技术对摇架拓扑优化结构进行对比实验,实验证明该拓扑优化对原有结构刚强度影响较小,具有一定合理性。

基于变密度法的飞机襟翼拓扑优化设计

针对飞机襟翼的薄壁结构,基于可分离凸逼近对偶优化算法,在拓扑优化求解过程中提升优化效率,完成襟翼的轻量化设计目标。利用Fluent对襟翼结构进行动力学分析,得到襟翼在向下旋转最大偏角时的气动载荷,并通过Tecplot进行表面载荷提取,将得到的载荷曲线加载到Hypermesh软件中,还原极限工况的真实载荷。基于变密度法,以最小柔度为目标函数,设计域内材料的密度为设计变量,根据有限元分析方法,将域内材料离散化,采用可分离凸逼近对偶优化算法构建近似函数,求解在应力约束、位移约束以及制造性约束等多种约束下对襟翼肋板的材料最佳分布,实现襟翼质量减少23%,刚度增大的轻量化设计目标,大大减少了计算时间,提高计算效率。

基于变密度法的汽车尾门锁棘爪锁舌拓扑优化

汽车轻量化设计是在确保汽车的结构强度和安全性能前提下,通过降低整车质量,提升动力性能、续航能力,减少碳排放。本文以某SUV自吸合尾门锁为研究对象,在AnsysWorkbench中对棘爪和锁舌进行静力分析,并采用变密度法和TopologyOptimization模块,以质量最小为目标,对其进行拓扑优化和结构设计。结果表明:两者的总质量减轻了13.98g,减重幅度约25.61%。

基于SIMP变密度法的结构拓扑优化及应用

在结构拓扑优化过程中,为了解决复杂结构计算速度慢、效率低的问题,提出了一种基于固体各向同性材料密度惩罚模型(SIMP)的步长自适应优化算法,该算法可根据SIMP惩罚因子P值自适应选择佳步长移动参数,并根据得到的目标函数的迭代值,自适应改变每次迭代的移动步长,在保证迭代精度的同时,以更快的速度逼近迭代目标,并利用经典MBB简支梁算例进行仿真实验,通过划分不同网格数量,横向对比分析另外三种步长迭代公式,得出最终迭代结果准确且迭代速度最快可提高100%的结论。此外,为满足汽车领域的轻量化需求,用拓扑优化技术,针对汽车油门支架结构进行重新优化设计,使优化后的模型体积减小35%;在此基础上,利用增材制造技术,采用双喷头连续纤维打印机,以长碳纤维体积分数为35%的复合材料(基体为短切碳纤维填充尼龙丝材)替代传统的铝合金材料进行增材制造,实现减重的目的,最终得到力学性能与原结构相当、质量减轻48%的油门支架结构,可进一步实现汽车的轻量化制造。

基于SIMP变密度法的工业机器人大臂拓扑优化设计

以某工业机器人机械大臂为研究对象,基于SIMP变密度法的拓扑优化数学模型思想,先使用ADAMS软件获得机器人大臂在最劣工况下的载荷情况,然后通过Altair Inspire软件,设置机器人大臂最劣工况载荷,对原始模型进行有限元分析,并以最大化刚度为优化目标,完成了机器人大臂的拓扑优化设计。通过对机器人大臂各种优化方案的对比,结果表明,在满足机器人大臂载荷、空间要求和刚度要求的前提下,减重率达26.28%,达到了机器人大臂轻量化设计的目的,并为相关结构件轻量化设计提供了参考。

基于变密度法的武器站塔台发射支架拓扑优化

武器站塔台发射支架是发射装置的重要承力构件之一,其强度与刚度对于遥控武器站机动性和射击稳定性至关重要。本文中对于武器站塔台发射支架,在保证其结构安全性和稳定性的前提下进行拓扑优化。通过行军战斗中的过载和发射状态对支架的后座多种工况进行受力分析,基于变密度法设置挤压、最小尺寸、最大尺寸、体分比等约束条件对该结构拓扑优化。根据优化结果指导,重新对发射支架进行结构设计,在塔台左右耳轴重设3根受力杆,简化耳轴盒式结构,设置加强筋,并进行有限元强度校核。分析有限元结构,与原有支架相对比,拓扑优化后的支架质量减轻10.8%;其中在45°工况下,刚度提高了32%,强度提高了45%,其他工况下刚度强度均有不同程度提升,这对于武器站的轻量化与提高武器精度均具有重要意义。

基于变密度法的油菜割晒机割台机架拓扑优化与试验

为减少履带式油菜割晒机割台在不同工况下的振动,应用Hypermesh软件建立割台拓扑优化空间,利用多体动力学方法建立基于RecurDyn的油菜割晒机虚拟样机模型,获得部件调试工况、转运工况和田间作业工况下割台运动副的动态载荷;采用折衷规划法构建割台静态刚度和动态频率的综合目标函数,根据层次分析法确定各子目标的权重;以体积分数、运动副极大值载荷为约束条件,得到割台空间结构的理想材料密度分布,综合考虑实际工程应用,对优化得到的割台机架进行规则化处理;建立优化后割台机架的有限元模型并开展有限元静力分析与模态分析,对比分析优化前、后割台测点处的振动幅值。结果显示:优化后最大应力值由107.99 MPa下降到65.45 MPa,最大变形量由0.82 mm下降到0.36 mm;前三阶固有频率有不同程度提高,第一阶固有频率提高到24.187 Hz。实际振动测试结果表明,优化后割台各测点振动幅值下降,割台整体振动减小,其中纵向切割器支架振幅值由4.83 m/s^(2)下降到1.49 m/s^(2)。

基于变密度法的二维结构热拓扑优化设计与分析研究

本文使用变密度法对二维结构进行了热拓扑优化设计,同时分析了不同目标函数及几种重要的优化参数对结构热拓扑优化形态的影响规律。研究结果表明:基于变密度法将材料的导热系数与单元相对密度关联后,可以实现结构的热拓扑优化设计;经过拓扑优化得到的最优散热结构都具有树状结构形态,且都是从边界低温处开始生长出粗大的主干结构,并在结构中逐渐演变出细小的分支结构;优化过程中使用不同的目标函数及优化参数,对结构的拓扑优化形态有显著影响,当选取较小的过滤半径、较小的网格尺寸,且惩罚因子取3~5时,能得到符合实际工程需求的最优散热结构。

基于变密度法的某小型雷达收发箱体的拓扑优化设计

本文以30m/s的风载荷工况下的某小型雷达箱体为研究对象,利用HyperWorks/OptiStruct软件对雷达箱体进行静力学仿真分析,以材料单元密度为设计变量,以静载工况下位移不超过1mm为约束条件,目标函数为优化后的体积分数最小。采用SIMP(变密度法)进行拓扑优化设计,得到用于指导结构优化的单元相对密度云图。根据拓扑优化结果对雷达箱体结构进行轻量化设计,并重新建模,进行静力学仿真计算。经过优化,雷达箱体总质量减少了150g,减重8%,在满足强度设计要求的前提下实现了雷达箱体的轻量化设计。

基于变密度法的约束阻尼结构拓扑优化研究

约束阻尼结构拓扑优化是轻量化设计要求下实现噪声与振动控制的关键技术。采用有限元方法建立约束阻尼结构的动力学有限元模型。基于实体各向同性材料惩罚(SIMP)插值方法,以模态损耗因子最大化为目标,约束阻尼材料用量为约束,构建约束阻尼结构的拓扑优化模型。利用伴随向量法推导了目标函数对设计变量的灵敏度,通过优化准则法对优化模型进行求解。数值结果表明:优化后约束阻尼板结构的模态损耗因子提高比基本在50%以上,且振动振幅值有明显抑制。

基于变密度法的汽车排气管吊耳支架设计

排气管吊耳支架的优化设计,能确保吊耳支架的稳定性、使用寿命,满足车辆行驶要求。本文采用变密度法对吊耳支架进衍设计,使用Optistruct对某车型的排气管吊耳支架进行优化设计,对得到的优化设计方案,进行了强度分析和台架试验,在不改变质量的情况下,使吊耳支架的固有频率提升8.5%,应力减少25.6%。证明使用变密度法能够进行钣金类零件的优化,并且有效控制生产成本。

基于变密度法的周期性拓扑优化

板条状结构的设计域具有较大的长宽比,常规的拓扑优化方法无法获得清晰的、周期性的拓扑形式或求解困难。以结构的最小柔度为目标函数,单元相对密度为设计变量,构建周期性拓扑优化问题的数学模型。提出一种基于变密度理论固体各向同性微结构材料惩罚模型法(Solid isotropic microstructures with penalization,SIMP)的周期性拓扑优化的方法。在数学模型中设置额外的约束条件,保证优化结构可以得到周期性的拓扑形式。通过优化准则法推导出虚拟子域设计变量的迭代公式,利用体积约束计算出拉格朗日乘子。引入过滤函数解决拓扑优化容易出现数值计算不稳定,导致棋盘格、网格依赖性等问题。利用所提出的方法,通过平面矩形悬臂梁结构算例,获得平面矩形悬臂梁结构的周期性拓扑形式。结果表明,在优化过程中,出现周期性的孔洞。随着迭代次数的增加,孔洞数目没有增加,说明该方法具有较强的稳健性。子域数目取值不同时,均可以得到具有周期性的拓扑形式,且具有良好的一致性。

基于杂交元和变密度法的连续体结构拓扑优化设计

将杂交元推广于结构拓扑优化设计 ,推导了拓扑优化中数值计算和敏度分析的基本方程 ,对等参元和杂交元的拓扑优化结果进行了对照 .最后的优化布局表明 :使用杂交元能得到较好的拓扑优化结果 ,再实施过滤技术 ,优化结果会更加精致 .杂交元不仅能提供更高精度的拓扑优化结果 。

结构拓扑优化变密度法的灰度单元等效转换方法

在连续体结构优化的经典变密度法中,随着优化模型的复杂化,优化结果中容易出现灰度单元过多的问题.为了在优化后得到一个不存在灰度单元、可直接提取的清晰优化构型,提出了一种基于变密度法的灰度单元等效转换方法.该方法通过2个核心算法步骤来彻底消除灰度单元.首先通过转换规则控制算法将拓扑优化计算结果中的单元密度(密度),将单元密度变量从连续的[0,1]分布转换为{0,1}离散分布,得到全局"满状态"单元构型,彻底消除原优化构型中的灰度单元;其次通过转换等效性评估算法,确保在使用该转换方法前后结构的力学性能具有高度的等效性.将等效转换方法与标准SIMP优化算法相结合,便能在结构优化计算结果中得到可直接提取的清晰优化构型.通过二维与三维优化数值算例,将等效转换方法结合到SIMP优化算法中,并与标准的SIMP优化算法对比.结果表明,结合等效转换方法的SIMP优化算法能彻底消除灰度单元,并且不影响标准SIMP优化算法提升结构力学性能,具有降低体积与重量的作用.

连续体结构拓扑优化的一种改进变密度法及其应用

针对连续体结构拓扑优化设计变密度方法SIMP和RAMP,因惩罚函数选取的不合理而导致拓扑结构形式不甚合理的问题,本文提出了一种新的惩罚函数,并基于此函数导出了相应的迭代设计公式,几个典型考题的数值结果,说明了方法的可行性和有效性。

连续体结构拓扑优化的一种新变密度法

从变密度法SIMP和RAMP存在的问题出发,提出一种指数形式的惩罚函数,研究了惩罚系数对拓扑优化的影响,解决了SIMP和RAMP刚度矩阵奇异、惩罚系数太大得不到合理拓扑的问题,得出惩罚系数的取值范围,两个算例分析验证了文中提出方法的正确性和优势,并和SIMP法进行了比较。

基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化设计

针对多工位级进模模具,提出了一种基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化方法。先通过板材冲压成形有限元数值模拟得到变形板料对模具的作用力,利用自主开发的载荷映射工具构建级进模模具结构分析的力边界条件;再通过模具结构分析,明确模具结构优化的空间;最后结合拓扑优化算法对模具结构进行了优化设计。以某汽车连接器件级进模模具为例对该方法加以验证,与按传统方法设计的模具相比,优化重构后的模具在重量保持不变的情况下最大变形量减小了36.5%。对优化重构后的级进模在冲压成形过程中的应变值进行了测量,应变实测值与结构分析结果比较吻合,表明文中所提出的级进模模具结构拓扑优化方法是切实可靠的。

基于变密度法的发动机支架性能优化

针对某汽车发动机支架的性能优化设计问题,基于变密度法进行拓扑优化设计。通过建立动力总成悬置系统力学模型,计算扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况的悬置载荷,并采用有限元法对发动机支架进行强度和刚度性能分析。根据分析结果,以发动机支架的单元相对密度为变量,质量分数为约束,加权柔顺度最小为目标,建立了发动机支架的多工况拓扑优化数学模型。结合零件的应力分布和加工工艺要求,在保持质量不变的条件下,根据拓扑优化结构对发动机支架进行了重构。优化前后的对比结果表明,重构的发动机支架的强度、刚度和模态性能均有了明显的改善。

基于变密度法的双向载荷横梁拓扑优化设计

屋顶排水槽板折弯机的横梁在折弯过程中承受双向载荷作用,横梁的刚性和抗振性是影响折弯机整机精度和稳定性的重要因素。首先对横梁承载情况进行受力分析,然后建立基于变密度法的拓扑优化数学模型,增加双向载荷约束条件,采用通用性较强的优化准则法,通过卷积算子建立滤波器修改元素灵敏度以提高网格独立性,解决棋盘格和网络依赖性问题,编制相应MATLAB优化程序进行结构拓扑优化,利用优化后的截面形状绘制三维模型,引入到ANAYS软件对拓扑结构优化结果进行静动态分析以验证优化结果,并通过LMS振动测试仪和分析系统对横梁进行模态测试试验,验证了优化与仿真的有效性和准确性,最终设计成果应用于屋顶排水槽板折弯机横梁设计,取得了很好的工程应用效果,为相似结构件优化设计提供了有益的借鉴与参考。