基于传力路径的接骨板结构拓扑优化设计

目的 提出一种相对于传统拓扑优化方法能有效降低应力集中,并进一步提高断骨愈合效果的接骨板拓扑优化设计方法。方法 依据接骨板在断骨-接骨板系统中的载荷约束条件,采用改进的基于传力路径的拓扑优化方法对接骨板结构进行优化设计。随后采用基于偏应变的骨再生模拟模型,对胫骨骨干横向骨折情况进行骨再生模拟,依据骨再生过程数据对优化接骨板的受力状态、固定稳定性及愈合性能进行评估。结果 使用基于传力路径优化方法的优化接骨板在体积分数f=0.55、0.65时,接骨板最大应力分别为55.68、42.23 MPa,相较于传统拓扑优化方法优化接骨板分别降低32.96%、29.95%;骨愈合过程后骨痂平均弹性模量分别为1 439.47、1 355.71 MPa,相较于传统接骨板分别提升145.86%、131.06%。结论 提出的改进基于传力路径的拓扑优化方法,可以用于接骨板结构优化设计,优化后接骨板相比传统拓扑优化方法优化接骨板受力更加均匀,使用安全性更高,骨愈合性能相较传统接骨板有明显提升。研究结果为骨折内固定植入物的优化设计提供了一种新思路和方法。

无人机翼梁接头的传力路径分析与多目标遗传算法优化

在构建的精细有限元模型基础上,开展了某型垂直起降固定翼无人机的关键连接件--翼梁接头的结构优化设计。为了外机翼拆装方便可靠,中央翼和外翼的前后梁采用耳片接头形式连接。通过对翼梁接头构建精细化的有限元模型,仿真计算时真实保留了结构的全部细节特征。利用有限元仿真软件对前梁接头进行了强度计算分析,找到了高应力危险区域。根据强度分析结果,结合传力路径分析和多目标遗传优化算法中的非支配排序遗传算法-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algo-rithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ),对结构进行了优化设计。分析结果表明,优化后的前梁接头最大应力显著降低,满足安全使用要求,前梁接头的刚度提高至原来1.5倍,优化效果显著。

基于传力路径下结构优化设计研究

为了探讨符合工程结构设计人员思维习惯的和便于理解与接受的优化设计方法 ,作者借鉴工程师的设计经验与直觉判断 ,在合理构件力学模型的基础上 ,通过一次 SAMCEF有限元分析获得结构的内力流 ,即传力路线 ,并由此确定结构布局的形式 ;利用 MATL AB优化工具箱进行形状与尺寸优化 ,形成一种易于工程人员使用的新方法。从表 1、表 3、表 4和表 5 ,以及表 2、表 6和表 7的数据对比分析可知 :计算结果稳定可靠。本文方法具有思路清晰、力学概念明确、算法简单有效 。

基于渐进空间拓扑优化技术的白车身传力路径规划方法

结合等效静态载荷的思想,提出了一种基于渐进空间拓扑优化技术的白车身传力路径规划方法,该方法引入专家系统,同时以车身造型和总布置参数为输入条件,从而使得到的拓扑优化结果尽可能满足工程实际要求。以某MPV的白车身传力路径规划为研究对象,对其进行考虑多种碰撞工况、顶压、多种刚度工况等的多学科拓扑优化方法研究,结果表明,基于渐进空间拓扑优化技术生成的车身拓扑优化结果能很好地满足工程设计要求,具有较高的工程实用价值。

基于传力路径的平面不规则RC框架结构减震设计

针对平面不规则RC框架结构,从构件安全层次出发提出基于传力路径的减震设计方法。首先根据广义结构刚度法的基本原理计算结构中所有构件的重要性系数,再假定消能支撑的截面参数,取每层最重要的构件位置布置支撑,经支撑在最不利地震组合下的轴力验算后确定支撑的最终设计参数和数量,然后考虑远场、近场有脉冲以及近场无脉冲地震动从双向输入对结构响应的影响,对减震前、后结构分别进行动力时程分析。分析结果表明,利用此方法优化布置支撑能为结构中重要构件提供有效保护,且在小、中、大震下消能支撑均能运作良好,使整体结构响应得到很好地控制。

超静定捆绑火箭传力路径的组合优化策略

为了获得新一代大推力捆绑火箭捆绑方案的最优设计参数,针对超静定捆绑传力路径进行分析与优化设计。基于PATRAN的二次开发语言PCL对超静定捆绑火箭进行了参数化建模和仿真分析,并运用拉丁超立方试验方法对传力路径设计参数进行灵敏度分析。在此基础上提出了一种多目标粒子群和序列二次规划算法的组合优化策略,确定了捆绑联接方案设计参数,实现了对捆绑联接装置和助推器结构载荷的高效优化。计算结果表明:组合优化策略能够将主捆绑联接结构的受力减少了30%左右,明显优于单独使用一种全局优化算法或局部优化算法的优化结果。本文研究成果将为新型捆绑火箭捆绑方案优化设计提供参考。

减小车辆侧面碰撞侵入的B柱中部传力路径的概念设计(英文)

为降低侧面碰撞中汽车侧面结构的侵入量,减少乘员伤害风险,提出了一种传力结构的概念设计,安放于B柱中部区域的内侧与座椅之间的空间,将来自汽车侧面的碰撞力传递给座椅和车身结构。由于该结构填充了B柱与座椅之间的空间,增加了一条侧面碰撞时的传力路径,因此可降低侧面碰撞时的结构侵入量。该结构同时用作座椅扶手,设计成可伸缩式的,与车门的开闭联动,自动到位或收回,因此不会影响乘员进出车辆。设计中还考虑了人体工程学方面的要求,针对不同的人体尺寸和座椅位置,该设计都能提供相应的碰撞传力和座椅扶手的功能。

双层交通混凝土箱梁传力路径试验研究与分析

该文对双层交通箱梁试验模型的顶板不同位置在弹性范围内进行单点加载(6个工况)的试验研究。基于试验结果建立有限元模型对其进行分析,在分析值与试验值吻合良好的基础上,进一步探究了双层交通混凝土箱梁的传力路径。研究表明:箱梁的桥面板按双向板传递;节间荷载(内横梁、纵梁)的剪力按简支梁形式传到节点,再按节点的荷载分配系数分到到每榀框架梁,最后传到两端支座。

结构传力路径的量化模型研究

以结构的传力路径作为设计变量,通过在传力路径上对结构内力进行积分,得到相应的结构承载因子。由于结构的外形和内力都会变化,因此该承载因子是结构传力路径的泛函。用变分法导出了对应结构最短传力路径的微分方程,并用里兹法求解该微分方程,得出结构的最短传力路径。通过变分法优化得到结构的最短传力路径,然后应用结构尺寸优化方法,得到结构的最小质量。以平面悬臂梁结构的传力路径优化为例,分析了悬臂梁结构在不同外形下对应的最短传力路径,并和用Michell桁架理论得到的结果进行比较。最佳结构基于理论分析得到,整个过程不需要进行有限元分析,不存在拓扑优化中的数值不稳定性问题。另一方面,通过采用板杆结构模拟传力形式,将目前拓扑优化研究中通常采用的杆、板等单一单元结构推广到单元的组合结构。

基于传力路径的减震设计方法研究

从构件安全层次考虑,提出了基于传力路径优化配置消能支撑的减震设计方法。采用广义结构刚度法计算结构系统中所有构件的重要性系数,在假定支撑截面参数后,取每层构件重要性系数最大的位置布置消能支撑,经支撑的最不利地震组合轴力验算确定支撑的最终参数和数目,并考虑远场、近场有脉冲、近场无脉冲地震动对结构的影响,对结构进行双向地震输入下的动力时程分析。计算结果表明,利用此方法布置支撑能有效保护在传力路径中占重要位置的构件,使消能支撑在小、中、大震下均能发挥良好性能,并能很好地控制整体结构响应。

基于传力路径的飞机加强框结构优化方法研究

在飞机结构设计中,主传力构件的轻量化设计十分关键。通过引入结构承载因子,对加强框结构的传力路径进行量化,得到加强框结构最佳的传力路径。相对于传统的结构尺寸优化设计方法,提出的基于承载因子的传力路径优化方法仅需要考虑结构外形和载荷对结构承载的影响,不必考虑结构细节尺寸大小,因此,该方法具有高度的概括性和综合性。同时,通过求出的结构最小承载因子,再结合结构设计中人为确定的许用应力,即可估算出结构的最小质量,这对传统优化方法所得结果具有较大的指向作用。

多层模板支撑体系传力路径分析

通过对河北农业大学东校区工程实验实训中心的多层模板支撑体系进行实测,以监测的实际数据为基础,运用SAP2000有限元软件进行模拟,分析了多层模板支撑体系的传力路径。结果表明:当浇筑第三层楼板混凝土时,该层支撑的内力增量为浇筑该层楼板混凝土自重的75%~90%;第二层支撑的内力增量为所浇筑混凝土自重的20%~30%;首层支撑的内力增量不超过所浇筑混凝土自重的5%,基本上可以忽略。研究结果对优化施工方案,缩短施工周期,优化施工成本具有重要意义和工程应用价值。

地铁车辆底架前端传力路径及结构优化方法

根据力流路径分配最优原则设计出不同的底架前端吸能区结构布置方案;基于Beam梁单元简化的有限元模型进行仿真计算,比选得到最优的传力路径方案;对该最优传力路径方案进行实体化建模,以设计方案仿真计算得到的关键参数作为目标,设计出2种不同构型的承载式吸能结构;对整个底架前端结构进行参数优化,对优化前后的底架前端结构进行碰撞仿真计算对比分析。研究结果表明:优化后的底架前端结构能够满足能量吸收的约束条件,并且碰撞过程响应稳定。

复合喷管传力路径及热结构分析

合理的传力路径是保证固体火箭发动机喷管设计成功的关键因素。本文针对某型号复合喷管,建立了流固域一体化的数值计算模型;采用燃气流动/固体导热强耦合与结构应力弱耦合的流/固/热耦合分析方法,结合热试车试验现象,基于有限元分析技术,着重研究了轴向传力路径以及应力场特征。数值计算结果表明:复合喷管轴向传力路径太过曲折,导致双层结构型式的扩张段呈现出严重的局部承载特征,并且调整间隙配合量不能从根本上缓解扩张段内外壳间限位凹槽处的挤压程度。在传力路径和热结构分析基础上,总结出热试车试验现象的成因,给出了结构设计改型的建议,可供设计单位参考。

基于传力路径分析的结构承载性能评价与优化

承载结构的高刚度、高强度和低质量设计是结构工程师长期追求的目标,现有结构优化设计方法通常是基于黑箱模型迭代搜索得到优化结果,无法为其提供合理的力学解释。基于相对刚度理论,给出了传力路径可视化计算思路;在此基础上建立了结构承载性能的评价方法,可为结构局部区域的承载性能评估及优化提供理论指导;进一步提出将材料沿传力路径布置的设计思路,实现承载结构的高刚度设计。将该方法应用在控制臂的承载性能评价和优化中,结果表明:优化后控制臂的承载性能得到改善,刚度、强度分别提高了75.41%、8.61%,质量减轻了8.91%。

大推力捆绑运载火箭传力路径优化设计

以新一代大推力捆绑火箭捆绑装置设计为研究背景,开展助推器传力路径优化设计研究。在方案初步优选的基础上,基于i SIGHT建立大推力捆绑火箭传力路径优化平台,针对现有优化方法的不足,选用多岛遗传(Multi-Island Genetic Algorithm,MIGA)+二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)组合优化算法进行传力路径优化设计,从而大幅优化了捆绑联接结构载荷。该方法可为大推力捆绑运载火箭方案设计提供参考和依据。

耗能伸臂桁架及其连接设计的传力路径模型方法及其应用

通过某388m带加强层的边筒—周边框架体系超高层结构工程设计实例,讨论了耗能伸臂桁架在高层与超高层建筑中的应用及其优越性。采用屈曲约束支撑(BRB)代替普通钢支撑作为伸臂桁架斜腹杆形成耗能伸臂桁架不仅能增加结构的侧向刚度,在罕遇地震作用下还能显著提高结构的整体耗能和延性变形能力,限制伸臂桁架传力路径中桁架杆件传递至框架柱和剪力墙的轴力,起到结构保险丝的作用。本文提出基于能力保护设计法的传力路径子模型和扩展模型分析与设计方法,用于分析伸臂桁架弦杆、各连接节点、剪力墙内嵌钢骨以及传力路径上其他构件和节点的受力,确保在罕遇地震作用下屈服耗能仅发生于屈曲约束支撑(BRB)。提供了本文建议的方法在该超高层建筑结构设计中成功应用的分析与设计实例。同时考虑临时施工工况和永久使用工况,设计了伸臂桁架各连接节点。本文提出的设计方法与实例可供类似工程设计参考。

基于传力路径的天线骨架优化设计

目前天线骨架的设计主要从功能层面出发,凭借设计经验得到天线骨架,在此基础上再进行仿真校核和局部补强。这种骨架虽然能够满足设计要求,但往往得不到最优的结构,设计冗余度很高。文中以某天线为例,在总体布局的基础上进行传力路径优化,得到主传力路径,再进行骨架几何模型重构和尺寸优化,最后对优化后的骨架进行力学校核,最终得到最优的天线骨架。

曲线连续混合梁桥钢-混结合段应力分布规律及传力路径分析

为研究曲线连续混合梁桥钢-混结合段应力分布情况及传力路径,以余杭区崇贤至老余杭连接线(高架)工程为背景,针对钢-混结合段受力复杂的特点,采用有限元软件ANSYS,建立此桥的钢-混结合段的局部有限元模型。在设计荷载工况下分析钢梁过渡段、混凝土梁过渡段以及钢-混结合段的受力情况及结构的整体竖向位移,同时根据应力分布规律分析传力路径,以此来验证结构的安全性和可靠性。研究结果表明,荷载能够顺畅地从钢梁传递至混凝土梁,各钢构件的连接处存在应力集中现象,但整体受力水平偏低,结构传力性能良好、设计合理。钢-混结合段竖向位移未出现不连续或者突变的现象,表明整体刚度过渡平顺,有效保障了行车的平稳性。承压板与剪力连接键是结合段刚度突变处的主要传力构件,容易出现应力集中,影响结构的耐久性,在设计施工时应对此处进行加强处理。

基于载荷共享理论的多传力路径耳片可靠性研究

飞机结构检查周期的制定需要保证结构在服役期间具有一定的可靠性,但多传力路径耳片结构中各层耳片的失效存在相关性,传统的并联系统可靠性分析方法已经不适用于该结构的可靠性分析。为解决这一问题,基于载荷共享并联系统提出了一种多传力路径耳片结构的可靠性建模方法。首先,基于载荷共享并联系统的基础理论和耳片设计准则,确定了多传力路径耳片结构的载荷共享原则和寿命等效原则;在此基础上,应用条件概率和全概率公式对任意三传力路径耳片结构进行可靠性建模,并应用于结构检查周期的校核;最后,以某型飞机的“铝-钛-铝”复合连接的耳片结构为例进行了应用分析,验证了方法的适用性和有效性。结果表明:相比传统的并联系统可靠性模型和基于对数正态分布模型的可靠性分析方法,所提方法能够很好地反映多层耳片间的相关失效,更符合多传力路径耳片结构的失效特性,从而为多传力路径耳片结构的可靠性分析提供了一种新的方法,可用于检查周期的校核和优化。