汽车盘式制动器多目标拓扑优化设计

以汽车盘式制动器为研究对象,基于变密度法拓扑优化理论进行设计,实现了刚度最大化和频率提高的优化目标。采用折衷规划法建立综合目标函数,运用灰色关联分析法确定子目标权重系数,对盘式制动器主要零部件卡钳和支架进行拓扑优化。分析结果显示:改进后卡钳、支架的刚度和强度性能符合国家标准;卡钳、支架的动态性能均有所提高,且固有频率避开了共振区域;卡钳、支架质量共减小11%。证明了设计的可行性。

复杂工况空间结构件多目标拓扑优化

为提高连接架的刚强度和动力学性能并实现轻量化,文中基于变密度法的拓扑优化理论,采用折衷规划法建立多工况下的连接架拓扑优化数学模型,考虑连接架的热、动、静载荷影响,以层次分析法对各工况权重进行分解,对连接架进行拓扑优化设计;根据优化结果,对连接架进行了几何重构,分析了优化前后连接架的应力、位移、固有频率和质量结果。研究结果表明:优化后的连接架质量由0.129 kg降至0.101 kg,减重21.7%;连接架最大变形由0.369 mm降至0.346 mm,减小6.2%;连接架最大等效应力由583 MPa降至536 MPa,减小8.1%;连接架一阶频率从1700 Hz升至1902 Hz,提升11.9%。结论可为航天器及其它系统的支承构件的轻量化设计提供理论参考。

参数化水平集法在正交各向异性结构多目标拓扑优化中的应用

利用全局支撑径向基函数插值初始水平集函数,以水平集函数为设计变量,以结构柔度和散热弱度的加权函数为目标函数,基于参数化水平集法(Parameterized level set method,PLSM)建立了正交各向异性结构的热力耦合多目标拓扑优化模型。结合数值算例研究了权系数、材料方向角、泊松比因子和热导率因子对PLSM多目标最优拓扑结构和目标函数的影响,并给出了相关参数的合理取值范围;在3D打印实物的基础上完成了最优各向异性拓扑结构的性能分析,并与各向同性结构进行了对比讨论。结果表明,PLSM最优拓扑结构比变密度法的拓扑结构边界更光滑、清晰,不会出现中间密度和锯齿等现象;同时正交各向异性结构的温度场、位移场和应力场比各向同性结构均有较好地改善,加权目标函数、结构柔度和散热弱度分别降低了55%、3.18%和81.1%。

基于多目标拓扑优化发动机罩系统设计

以某车型为研究对象,在兼顾行人头部保护性能的基础上,对汽车发动机罩系统进行轻量化设计。首先建立头部碰撞有限元模型,并通过试验验证了模型的准确性;再利用OptiStruct对发动机罩内板进行多目标拓扑优化。优化后的发动机罩系统符合静态性能设计要求,提高了行人头部保护性能,质量减轻了7.21%。

基于加权欧式距离法剥线机刀架多目标拓扑优化设计

基于加权欧式距离法将护套线剥线机主传动机构刀架进行多目标拓扑优化设计,建立了静态多刚度拓扑优化数学模型、模态固有频率拓扑优化数学模型和刀架多目标拓扑优化数学模型,通过有限元法对主传动机构刀架进行了优化改进,改进后其质量减少了约14.3%,提高了一阶固有频率和刀架静刚度,优化效果明显.

柔顺机构几何非线性多目标拓扑优化设计

给出一种柔顺机构几何非线性多目标拓扑优化设计的新方法。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-La-grange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应。其次,建立适合求解几何非线性的多目标拓扑优化数学模型,目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求,提出用标准化方法建立多目标函数,利用决定函数得到最优妥协解。目标函数敏度分析采用伴随求解技术,拓扑优化采用固体各向同性材料插值方法,并用移动近似算法进行迭代求解。最后,通过算例说明以上方法的正确性和有效性。研究结果表明,运用该柔顺机构几何非线性多目标拓扑优化方法能够在刚度和柔度之间找到最优妥协解,不但提高机构柔度,而且提高机构刚度,同时也说明对柔顺机构进行几何非线性拓扑优化的必要性。

矿用车车架结构的静动态多目标拓扑优化

为了实现行驶工况极为恶劣的矿用车的车架结构的静动态多目标拓扑优化,以静态多工况下刚度和动态多个低阶频率为目标函数,提出了一种车架多目标拓扑优化方法。基于变密度法建立车架结构拓扑优化模型,采用折衷规划法确定多工况刚度拓扑优化目标函数,以平均频率法确定振动频率目标函数,并利用层次分析法选定子目标权重。优化结果显示车架的刚度和固有频率均有提高。对优化后的新车架和原车架进行疲劳寿命的对比分析,结果表明:采用多目标拓扑优化后车架的疲劳寿命明显提高,改善了车架的使用性能。

基于SIMP理论的电动汽车车身多目标拓扑优化

为在电动汽车车身概念设计阶段得到合理的承载结构,综合考虑静动态特性,进行了多目标拓扑优化。基于带惩罚的实体各向同性材料(SIMP)理论,采用折衷规划法定义静态多工况目标函数,用平均频率法定义动态振动频率目标函数,并通过对各目标函数归一化消除其数量级差异;利用优化准则法更新设计变量进行优化迭代,得到同时满足静态刚度和动态振动频率要求的电动汽车车身拓扑结构。

星敏感器支撑结构多目标拓扑优化设计与试验

针对微小卫星对星敏感器的特殊要求,结合星敏感器特殊的工作性能和环境,采用拓扑方法对星敏感器支撑结构进行多目标优化设计并进行有限元分析和试验。首先,对模态分析和随机振动响应的基本理论进行介绍,推导出多目标拓扑优化的表达公式;其次,以支撑结构的体积最小和星敏感器在支撑结构上的四个安装点RMS值最小为目标,以最低自振频率为约束,建立支撑结构的拓扑优化模型,利用Opti Struct软件对其进行拓扑优化设计;然后利用MSC.Patran&Nastran有限元分析软件对优化后的支撑结构进行模态分析和随机振动响应分析,得到基频为327 Hz,安装点RMS值的放大率最大为1.55;最后,对支撑结构进行振动试验,试验结果和有限元分析结果的相对误差最大为6.68%,二者吻合较好,该星敏感器支撑结构满足微小卫星对其性能指标的要求。

悬架控制臂多目标拓扑优化

为了对悬架控制臂进行轻量化,并保证轻量化的悬架控制臂仍能满足动静态性能要求,采用了多目标拓扑优化的方法。首先以控制臂为柔性体在Adams/Car中建立悬架刚柔耦合模型并对该模型进行多体动力学分析,从而得到悬架控制臂在制动、转向及过凸包等极限工况时的边界条件;然后采用惯性释放的方法对悬架控制臂进行有限元静力分析及模态分析,并根据结果分析其动静态性能;再运用折衷规划法对该悬架控制臂进行多目标拓扑优化,并通过正交试验的方法确定目标函数的权重。最终得到的新控制臂模型重量比原模型降低18.1%,总体刚度及低阶频率都有提高,各极限工况应力均小于许用应力。结果表明,轻量化的悬架控制臂满足性能要求,验证了设计的合理性。

基于流固耦合与多目标拓扑优化的低噪声塑料机油冷却器盖优化设计

机油冷却器盖属于薄壁件,距离振动激励源较近,容易产生较大的振动噪声,且内腔冷却液的存在对机油冷却器盖的振动噪声有着很大的影响。为有效的对塑料机油冷却器盖的振动噪声进行仿真研究及优化,将流体冲击压力作为预应力的同时,结合塑料机油冷却器盖与内腔流体的流固耦合模型,采用流固耦合的方法对塑料机油冷却器盖的振动噪声水平进行了预测评估;根据预测结果,识别出对噪声贡献度较大的耦合模态频率;以降低塑料机油冷却器盖整体噪声为总目标,并提高各贡献度较大的耦合模态频率为子目标,利用加权指数法建立了多目标优化函数,并对塑料机油冷却器盖结构进行了多目标拓扑优化。结果表明,优化结构设计后降噪效果明显,总声功率级降低了1.79 d B。

车身结构NVH特性多目标拓扑优化研究

建立了某车身地板结构动力学有限元模型,通过分析自由模态固有频率和多点激励下频率响应,验证了车身地板数值分析模型的有效性。以地板结构各激励点最大振动速度的平方和最小化作为目标函数,建立了多目标拓扑优化模型。通过解读优化结果,提出了地板结构改进方案。改进后的车身地板结构各阶自由模态固有频率增加达10%以上,各激励点速度响应大大降低,NVH特性明显提高。研究表明,减小振动速度的多目标拓扑优化设计是一种改善车身NVH特性的有效方法。

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。

池边检查主工作平台多目标拓扑优化设计

为满足池边检查主工作平台轻量化设计的要求,采用多目标拓扑优化理论,对池边检查主工作平台进行结构优化设计。首先,运用线性加权法,将结构柔度最小和固有频率最大的多目标拓扑优化模型转化为单目标拓扑优化模型;然后,使用HyperWorks的OptiStruct模块进行粗拓扑优化设计;进一步,在粗拓扑优化的基础进行精细拓扑优化设计;最后,对优化前后主工作平台的动静态特性进行评价分析。优化结果表明,在保持主工作平台动静态特性基本稳定的情况下,主工作平台重量减小了4.9%。

某商用车蓄电池支架多目标拓扑优化

为使蓄电池支架在轻量化的基础上能够满足汽车各工况下强度性能及要求,采用折衷规划法进行多目标拓扑优化,通过灰色关联分析法确定子目标的权重系数。首先在原始电池支架模型结构基础上,考虑实际装配和功能,建立了蓄电池支架初始拓扑优化模型;然后对其进行多工况和综合频率优化,并通过灰色关联分析法确定子目标函数的权重,运用折衷规划法进行多目标拓扑优化。最终得到的新模型质量比原模型降低10.9%,低阶频率及刚度有较大提高,各极限工况应力均小于许用值。结果表明,轻量化的蓄电池支架满足性能要求,验证了设计的合理性。

汽车塑料保险杠蒙皮多目标拓扑优化

为实现汽车保险杠蒙皮的轻量化设计,综合考虑动静态特性,将多目标拓扑优化的方法引入保险杠的结构设计中。为实现保险杠蒙皮的多目标拓扑优化,应用折衷规划法建立了保险杠蒙皮多目标拓扑优化数学模型,采用平均频率法建立了动态振动频率数学模型,进行了多目标拓扑优化。根据优化结果得到了材料的理想分布,结合塑料件薄壁化技术采用局部区域变薄的方式减少材料用量达到轻量化的目的。结果表明：局部区域变薄的保险杠的刚度和固有频率均明显优于保险杠整体壁厚变薄,最终得到了同时满足刚度和低阶振动频率最高的保险杠蒙皮局部区域厚度变薄结构。

基于有限元的加工中心立柱多目标拓扑优化

以提高某型加工中心立柱的动静态特性为目的,在对立柱进行基于有限元法的静力分析和模态分析的基础上,利用折衷规划法和功效函数法对各目标进行处理,建立静刚度最大化和前两阶固有频率最大化的多目标拓扑优化数学模型;运用ANSYS对立柱进行多目标拓扑优化分析,依据分析得到的立柱结构材料最佳分布和立柱的设计经验,改进原立柱结构,再将改进后的立柱进行有限元分析验证。结果表明:改进后的立柱质量有所减小,动静态特性也得到显著改善。

汽车转向节静动态特性分析与多目标拓扑优化

为使复杂工况下运行的SUV汽车在满足各项性能要求的基础上实现轻量化,以汽车转向节为研究对象,利用变密度连续体结构拓扑优化与折衷规划法相结合来建立多目标优化函数模型,利用层次分析法确定各子目标的权重,进行多目标拓扑优化,得到了材料的理想分布.优化前后的转向节静动态特性对比分析表明,采用多目标拓扑优化方法设计的汽车转向节在轻量化的基础上提高了其结构的刚度和固有频率,实现了多目标同时优化.

多目标拓扑优化的低响度正时罩设计

为了改善正时罩的声品质性能,建立正时罩的有限元模型.提取连接螺栓处在整机多体动力学计算中的振动位移,并作为正时罩频率响应的激励施加于正时罩螺栓孔.对比正时罩测点的振动加速度级的仿真值与测试值,发现两者在趋势及幅值上较吻合,验证了频率响应的准确性.建立正时罩边界元模型,并将频率响应计算结果作为声学边界元的边界条件预测辐射噪声.采用表面振动速度测试值计算辐射噪声声功率,并验证声学预测的准确性.依据Moore响度模型编写响度计算程序,并计算出正时罩辐射噪声响度.确定响度贡献较大的几阶约束模态,通过多目标拓扑优化布置加强筋,以提高刚度使模态频率与激励峰值频率分离,最终降低正时罩辐射噪声响度.仿真结果表明:正时罩辐射噪声响度由49.8sone降到46.5sone,降幅达6.7%,人主观可以感受到噪声舒适性得到改善;辐射噪声声功率级总值由84.7dB降低到83.8dB,降低0.9dB.

大兆瓦风电制动器闸片静动态多目标结构拓扑优化设计

针对目前大兆瓦风电制动器制动过程中的振动与尖叫以及制动闸片在制动力作用下变形产生的磨损不均匀,根据实体各向同性材料惩罚函数的拓扑优化方法,采用折衷优化法定义多目标结构拓扑优化目标函数,在对制动闸片结构设计的同时,提高其静态刚度与动态振动频率,避免了单目标结构优化对问题考虑不周全的缺点,得到最佳拓扑模型.重构闸片模型,比对分析原模型与重构模型,结果表明:优化后的模型满足原模型静刚度且提高振动频率,同时避开尖叫频率,提高摩擦材料的利用率.