电动挖掘机落物保护装置拓扑优化设计

针对某型电动挖掘机的乘员防护,提出使用基于等效静态载荷法的拓扑优化方法设计落物保护装置(Falling Object Protective Structures,FOPS)。首先,使用基于位移等效原则的等效静态载荷法,将动态非线性碰撞过程简化为多工况条件下的静态非线性变形过程。随后,提出使用加权系数法,将动态非线性拓扑优化简化为多工况条件下的静态非线性拓扑优化,可显著提高拓扑优化的计算速率和收敛性。最后,基于拓扑优化结果设计FOPS,并按照GB/T 17771—2010进行仿真试验分析。结果表明,新设计的FOPS无须额外加强即可满足乘员落物保护要求,且FOPS的总质量减轻了49.8 kg,这对降低工程机械的采购和使用成本,以及满足节能减排具有积极意义。

耦合排障−吸能的高速列车排障器结构双尺度拓扑优化设计

排障器置于列车前端,先于车体冲击排开轨道上的障碍物。在列车速度或障碍物尺寸发生改变时,排障器结构在刚度和吸能特性上具有不同的设计要求。为了设计一种耦合排障−吸能的结构形式,提出一种整体大刚度(排障)、局部结构降低冲击力(削峰吸能)的双尺度优化设计方法。该方法在以刚度为目标的整体结构初设计中确定变形区间,并在串行路线下完成以引导结构变形为目标的局部结构优化,最终形成新型排障器。研究结果表明:在基于标准EN 15227的静载荷工况下,新型排障器结构的质量降低了7%,同时,结构安全性提升;在冲击刚性墙仿真中,相较于原有排障器,新型排障器的峰值力降低了17.5%,且优化后的缓冲梁结构使排障器中部产生的弯折变形变为压缩变形,有效缓解了排障器后侧对车体结构的挤压现象。

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。

运载火箭静力试验加载装置结构拓扑优化设计

针对运载火箭结构静力试验中工装部件多、重量大的情况,开展轻量化设计,提出一种加载装置精细拓扑优化方法。基于变密度法,构造了以柔顺度最小为目标函数、以体积比为约束条件的拓扑优化模型,通过分段选取材料密度值,实现了结构精细拓朴。根据优化结果确定主承力结构及可减重部分,采用最小二乘法对结构不规则边界进行曲面拟合以提高其工艺性。最终承载1 500 t轴压的加载装置单个减重19.7%,结构应力和变形减小且分布更为均匀。本研究对于飞行器结构力学试验高承载部件的设计具有参考意义和实用价值。

Parameter Identification for Static Var Compensator Model Using Sensitivity Analysis and Improved Whale Optimization Algorithm

A parameter estimation method based on an improved Whale Optimization Algorithm is proposed in this paper to identify the parameters of a static var compensator(SVC)model.First,a mathematical model of SVC is established.Then,the reverse learning strategy and Levy flight disturbance strategy are introduced to improve the whale optimization algorithm,and the improved whale optimization algorithm is applied to the parameter identification of the static var compensator model.Finally,a stepwise identification method,by analyzing the local sensitivities of parameters,is proposed which solves the problem of low accuracy caused by multi-parameter identification.This method provides a new estimation strategy for accurately identifying the parameters of the static var compensator model.Estimation results show that the parameter estimation method can be an effective tool to solve the problem of parameter identification for the SVC model.

混合级联多电平换流器型静止同步补偿器的优化设计

研究了混合级联多电平换流器型静止同步补偿器(HCMC-STATCOM)。对两电平换流器的直流电压和整形电路的模块个数进行了优化设计;对两电平换流器和整形电路的直流电容纹波电压进行了数学建模,为电容参数设计提供了理论基础;对HCMC-STATCOM与链式静止同步补偿器进行了对比研究,结果表明HCMC-STATCOM能够有效减少H桥的模块数目,同时能够显著减少储能电容的容量,有利于减少装置的成本及其占地面积。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了35kV/±100Mvar的HCMC-STATCOM仿真模型,仿真结果表明了HCMC-STATCOM拓扑结构的可行性和理论分析的正确性。

页岩储层中同步压裂形成复杂缝网可行性研究

同步压裂能够更好地利用2个井筒中裂缝诱导应力干扰,降低地应力差异系数,使页岩油气藏产生更加复杂的裂缝形态。文中运用位移不连续理论,建立了二维平面裂缝诱导应力场数学模型,讨论了页岩储层形成复杂缝网所需要的地应力条件,分析了裂缝净压力、裂缝参数和原地应力场等因素对同步压裂形成裂缝网络复杂程度的影响规律。结果表明,裂缝净压力越大、裂缝长度越长、原地应力差异越小,页岩储层形成复杂缝网的可行性越大。研究结果对判断我国页岩油气藏能否应用同步压裂形成复杂缝网具有一定的理论指导意义。

电力系统潮流可行域边界拓扑性质及边界算法

电力系统潮流可行域是一种评估系统静态安全的有效手段。文中探讨了不同子空间的潮流可行域边界的拓扑性质,提出了新的边界算法。首先,在把潮流可行域划分为负荷注入子空间与发电注入子空间的基础上,通过大量算例发现2个子空间的可行域边界具有截然不同的拓扑特性,特别是发电注入空间的潮流可行域边界在系统实际可能的运行范围内呈现较好的线性特性。然后在混合法的基础上,提出一种新的高维发电注入空间中潮流可行域L1范数最远边界点算法,该算法避免了频繁启动连续潮流计算,其结果的多解性也被用来进一步检验潮流可行域边界拓扑性质。

注塑机械手臂的静力分析与拓扑优化

用Solid Works对注塑机械手进行建模,通过有限元分析软件ANSYS对机械手最危险工况进行静力分析,得到其位移应力变化特性,并在此基础上对机械手模型进行拓扑优化。在满足刚度和强度的要求下,依据拓扑云图对机械手基座和主臂梁进行结构优化,通过优化设计,减少机械手30%的重量,降低机械手的生产成本。结果表明拓扑优化的机械手静力特性与拓扑前的机械手相比变化很小,符合要求,故这里为机械手的结构优化设计提供一种切实可行的优化方法,提高了工作效率并降低了成本和缩短了产品研发周期。

注塑机后模板顺序优化设计研究

为了有效地降低注塑机模板的重量,提出了从高层次拓扑优化到底层次参数化优化的顺序优化设计方法.该方法基于拓扑优化设计以及参数化优化设计理论,运用密度方法建立结构的拓扑优化数学模型,用优化准则(OC)法对拓扑优化问题进行求解,运用敏度过滤技术解决棋盘格式和网格依赖问题.对拓扑优化得到的模型进行规整,并采用基于连续非约束最小化技术(SUMT)的子问题近似法,对规整后的模型进行参数化优化,得到最终的顺序优化模型.研究结果表明,与原有的后模板模型相比,用该顺序优化方法得到的后模板模型的刚度和强度均有提高,体积明显减少.

一种梁结构静态拓扑参数同时优化方法

在渐进结构优化方法(evolutionary structural optimization,ESO)的基础上,提出梁结构的静态拓扑参数综合优化方法。在优化过程中,首先将单元灵敏度计算公式通过截面特性加权变成拓扑参数修改灵敏度分析方法,并提出避免"载荷病态"的灵敏度复合方法来处理多载荷工况。其次将单元根据结构设计要求进行分组,并将可选的梁截面根据属性大小进行编号。最后根据综合灵敏度的大小,修改对应组的梁截面特性编号。将所提的方法应用于某汽车车身轻量化设计中,数值算例表明所提出的方法是有效的。

模糊参数平面连续体结构的拓扑优化设计

研究了具有模糊参数的连续体结构在模糊载荷作用下的拓扑优化设计问题。利用信息熵将模糊变量转换为随机变量,构建了随机载荷作用下的随机参数的连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元应力可靠性为约束条件,利用分布函数法对应力可靠性约束进行了等价显式化处理。基于随机因子法,利用代数综合法导出了应力响应的数字特征的计算表达式。采用双方向渐进结构优化(BESO)方法求解。通过两个算例验证了该文模型及求解方法的合理性和有效性。

基于等效静态载荷法的平衡吊臂架结构优化

将等效静态载荷法(ESLM)应用于平衡吊臂架系统的动态优化设计中,提出了平衡吊臂架系统动态拓扑优化后的部件构型。通过HyperWorks软件中的Motionview模块对平衡吊臂架系统进行动力学分析,得到了最大动态应力;运用等效静态载荷法,将动态载荷转化为等效静态载荷,进而在OptiStruct模块中实现平衡吊臂架系统在动应力约束下的拓扑优化设计;得到的动态优化设计结果为平衡吊臂架系统的结构设计提供了参考。

基于等效静态载荷法的区间参数结构可靠性拓扑优化

研究了用等效静态载荷法,解决动态响应约束下的区间参数结构可靠性拓扑优化问题。对等效静态载荷赋予了新的含义:由等效静态载荷产生的区间静态响应与由动态载荷产生的区间动态响应,其对应的中值与离差均相等。利用泰勒展开计算出区间参数结构动态响应所有可能值组成的集合,再根据集合映射获得包含结构所有不确定信息的等效静态载荷集合,继而建立静态可靠性拓扑优化数学模型。通过集合映射和区间自然扩展,获得静态位移响应区间。基于区间非概率可靠性指标的定义,给出区间非概率可靠性约束的伴随法灵敏度分析算法。采用移动渐近线法完成此优化问题的求解。数值算例验证了模型的正确性和算法的有效性。

应变能约束下多随机参数连续体结构的拓扑优化

研究几何和物理参数均为随机变量的平面连续体结构在结构总应变能约束下的拓扑优化设计问题.以结构总质量均值最小化为目标函数,以结构的形状拓扑信息为设计变量,以结构总应变能概率可靠性指标为约束条件,构建了随机结构的拓扑优化设计数学模型.利用代数综合法,导出了应变能响应的均值和均方差的计算表达式.采用双方向渐进结构优化的求解策略.通过两个算例验证了本模型及求解策略的合理性和有效性.

VX380T数控加工中心工作台拓扑分析及多目标参数优化设计

为使VX380T数控加工中心工作台同时具有优越的静、动态性能和轻量化特点。利用拓扑分析的方法研究工作台截面的最佳载荷传递路径,依据拓扑分析结果设计了工作台的加强筋布局。将新结构工作台的整体质量和最大频响幅值为目标函数,以各加强筋的结构参数为设计变量,以原始工作台的静态性能和前3阶固有频率为约束条件进行多目标参数优化设计。对参数优化后工作台的质量、静动态性能进行对比分析,结果表明,其质量减轻了12.19%的同时,其静动态性能也得到了显著提高,证明了优化设计的可行性和有效性。

顶磨式轧辊磨床头架主轴分析及拓扑优化

主轴是轧辊磨床头架系统中最关键的部件,需承载巨大的工件而要求较高的强度和刚度。针对主轴刚度对轧辊磨削精度影响较大这一问题,借助ABAQUS软件,运用有限元多体分析法对某型号的轧辊磨床主轴进行了线性静力分析,得到了主轴的应力及位移分布情况,分析表明主轴后段强度大有富余。在静力分析基础上对主轴进行了拓扑优化设计,结果表明:该优化方案正确合理地完成了减重25%的轻量化结构设计,可为主轴的二次设计及类似轴类零件设计起到指导作用。

快堆装载机支臂结构的动静态性能拓扑优化设计方法

针对快堆装载机支臂结构的动静态性能和轻量化设计要求,采用有限元法验证了原结构的安全性,提出一种基于变密度法固体各向同性惩罚微结构(SIMP),通过引入标准化系数建立将多工况刚度和动态多个低阶关键固有频率归一为组合柔度指数最小的动静态多目标拓扑优化数学模型,并得到了合理的整体Pareto解。分析结果表明,根据拓扑优化结果改进设计的支臂动态性能明显提高,在安全停堆(SSE)工况下最大Tresca应力减小约10%,结构重量减轻约21.5%,较好地达到了既提高性能又减轻重量的结构优化目标。

汽车车身静态拓扑参数综合优化设计

在单元灵敏度分析的基础上,提出汽车车身框架结构的静态拓扑参数综合优化方法。在优化过程中,先将单元灵敏度计算公式通过截面特性加权变成拓扑参数再修改灵敏度的分析方法,并提出避免"载荷病态"的灵敏度复合方法来处理多载荷工况。其次根据设计要求对杆件进行分组,并将可选的梁截面根据属性大小进行编号。最后根据综合灵敏度的大小修改对应组的梁截面特性编号。将所提的方法应用于汽车车身轻量化设计中,得到有效的优化结构。

基于等效静态载荷原理的高速机构结构拓扑优化方法

IC封装等高速精密设备要求高速执行机构的机械结构在满足一定刚度下尽量降低惯性。基于等效静态载荷方法的优化方法是近来发展起来的柔性多体动力学优化设计的有效方法。针对高速机构的特点,对该优化方法做了一些改造。为了模拟运动关节影响,采用含有运动学自由度的准静态方法,对离散结构响应方程进行求解。为了考虑单元修改对惯性载荷的影响,将单元应变能与动能的比值作为单元修改的灵敏度。提出量纲一单元测度,能够综合反应该单元在所有离散点的重要性。所提方法应用于微电子封装摆杆式焊头摆臂的优化设计中,并将三种方法进行了比较,结果表明,含有运动学自由度的准静态分析能够反映机构运动副的影响,当速度非常高时,惯性比刚度对振动的影响更大。数值结果表明本文方法对高速机构的优化设计是有效的。