一种民航应急化学氧气发生器轻量化设计

本文针对民航飞机应急救生使用的化学氧气发生器,提出4条轻量化减重措施。对支持国产民机机载设备制造,提升民航飞机零部件国产化率起到促进作用。如付诸现实将产生单一型号产品未来20年总产值预计为9100万元,年均产值约455万元的经济效益。

圆管带式输送机桁架结构轻量化设计

为了解决圆管带式输送机桁架结构设计常参照经验而使用钢量浪费的问题,提出基于实验设计(DoE)的优化设计方法。分析圆管带式输送机桁架承受的荷载组合情况,在Ansys workbench中按照桁架的最不利荷载组合施加荷载,找出危险杆件;对杆件截面设计尺寸进行参数相关性分析,选取敏感度较高的控制参数,通过拉丁超立方抽样和非参数回归方法建立响应面模型,采用多目标遗传算法(MOGA)进行多目标优化。结果表明:优化后的桁架结构整体质量减轻32.8%,实现了结构轻量化;同时,杆件应力比均有所增加但满足强度和刚度要求,杆件截面利用更加充分。

探测器机械结构静力学分析与轻量化设计

在产品设计过程中,机械结构的静力学分析与轻量化设计对产品的整体质量有着极为重要的影响。对产品的机械结构进行静力学分析可以保证产品有较好稳定性,对产品进行轻量化设计则是提高产品的综合性能,比如在不影响强度的情况下减小产品质量,从而提高产品综合品质。基于此,本文将结合3He管探测器的设计,对其主要部件进行静力学分析,并借助静力学分析结果对探测器的密闭腔体与盖板进行轻量化设计。

基于改进鼠群优化算法的起重机主梁轻量化设计

为提高元启发式算法求解桥式起重机主梁优化问题的寻优精度与效率,文中提出一种改进的鼠群优化算法(IRSO)。该算法采用Hénon混沌随机反向学习初始化种群,提高算法的初始寻优性能;在追逐行为中,引入随机反向学习和高斯变异混合策略对鼠群进行逐维学习,增强算法的全局搜索能力;在搏斗行为中,采用翻筋斗搏斗搜索策略更新鼠群位置,增强算法的局部搜索能力;在算法中引入自适应余弦控制因子,实现算法控制参数之间的动态平衡,提高算法的整体寻优能力。仿真结果表明:与其他算法相比,IRSO算法寻优能力更优、收敛精度更高、稳定性和鲁棒性更强;同时,IRSO算法可高效地解决桥式起重机主梁轻量化设计问题,减重效果可达20.72%,具有较好的工程实际应用能力。

混合动力城市客车车架结构分析及轻量化设计

车架作为混合动力城市客车的主要承载结构,其强度和刚度会影响混合动力城市客车的稳定性、舒适性和续航性等。通过对混合动力城市客车的车架静强度进行分析,得出了混合动力城市客车车架在不同工况下的应力和应变情况,以混合动力城市客车车架轻量化为目标,对混合动力城市客车车架进行结构进行了优化和验证,既有效地减少了混合动力城市客车的排放,也改善了混合动力城市客车的综合性能。

纯电动环卫车电池托架的轻量化设计

轻量化是提升纯电动环卫车续航里程及工作时间的重要方式,其中电池托架是承载电池模组的重要结构部件。为探究更有效的构件布置方式,建立电池托架的有限元模型,并使用拓扑优化方法得到改进结构,使电池托架在各工况下的位移和应力显著下降。为进一步减轻质量,采用Hammersley试验方法对模型中各构件的壁厚进行采样;基于采样数据,使用2种策略的自适应响应面法对主要构件进行尺寸优化,在满足应力及位移的许用要求下,得到优化设计方案,质量减轻40%,实现了轻量化目标。

一体化压铸铝合金前机舱轻量化设计与优化

当前汽车行业对低碳化和轻量化的需求日益增长,新型一体化压铸技术应用于车身,能够实现质量、生产成本和周期的下降,并减少碳排放,成为各大汽车主机厂商争相研究热点。本文将某乘用车传统钢制车身前端机舱结构替换成一体化压铸件,对铝合金一体化前机舱进行了轻量化设计。通过SIMP法对前舱进行拓扑优化得到了最优刚度载荷路径,考虑前舱可铸造性对筋的拔模方向、厚度尺寸和位置分布进行设计。根据C-NCAP 2021进行正面碰撞仿真,通过田口实验设计方法与响应面优化改善了一体化压铸车身的耐撞性,并对优化后的白车身性能进行了仿真分析。与传统方案相比,一体化方案的质量减轻13.9%,白车身弯曲刚度提升9.7%,1阶模态达到要求。本文研究对后续一体化车身结构的平台化设计与工程应用具有指导意义。

直升机减速器机匣碳纤维轻量化设计与验证

采用碳纤维复合材料替代铸铝合金材料对某直升机减速器主承力机匣进行了轻量化设计。在保留原设计硬点条件和满足结构强度/刚度条件下,实现机匣减重达21.8%。通过热模压制造了等比例的四分之一碳纤维机匣,对机匣进行了静力加载和疲劳测试。结果表明,碳纤维机匣在1.5倍设计载荷下静力测试未破坏,设计载荷下疲劳测试循环次数达到2万多,满足设计要求,从而验证了直升机减速器主承力机匣碳纤维轻量化的可行性。

基于拓扑优化的SPMT驮梁支架轻量化设计

为解决用于跨线桥拆除的自行式模块化运输车(Self-propelled Modular Transporter, SPMT)驮梁支架结构冗余、重量偏大、制造及安装复杂等问题,依托京哈高速公路跨线桥拆除工程,在“16根标准节段钢管立柱+32道联结系杆”驮梁支架初步设计方案的基础上,以体积最小化为优化目标,利用Abaqus软件的拓扑优化模块开展驮梁支架轻量化设计研究,并对轻量化驮梁支架与初步设计的应力、位移及稳定性进行对比分析。结果表明:优化后的驮梁支架体积减少19.8%,支架联结系杆减少至12道,钢管立柱节段数量简化为2节段,节段长度提升至4 m,构件组拼联结接头数量减少约2/3,总重量较初步设计降低1.44 t;在最不利荷载工况下,驮梁支架优化前、后应力变化较小,最大位移差值在2 mm以内,且满足临界荷载系数大于4的稳定性要求。工程实践证明,轻量化驮梁支架力学性能满足要求,虽然安全系数小幅降低,但结构安全性与优化前基本一致;轻量化驮梁支架在施工现场组拼工作量及组拼时间均有所减少,经济效益显著。

基于拓扑的新能源商用车身轻量化设计

当前低碳背景下的新能源重卡竞争格局和行业政策对重卡车身提出轻量化要求。以某驾驶室平台为基础,结合“材料应用驱动轻量化,综合成本及重量”的轻量化策略,通过CAE驱动下的基础车传力路径、灵敏度分析等多工况拓扑引导,进行轻质合金、高强钢应用的多材料车身工程设计,同时对设计数模进行有限元分析,结果表明工程方案的结构性能和碰撞安全达成设计目标。

一种基于多目标优化的制动器底板轻量化设计方法研究

【目的】汽车轻量化技术是汽车节能减排的重要手段,加快汽车轻量化技术的发展具有重要现实意义。【方法】课题组以减小底板体积、保证疲劳寿命为优化目标,采用计算机辅助集成技术对制动器底板进行轻量化设计。首先,对底板进行有限元分析,确定轻量化设计的目标区域;其次,根据优化目标建立相应的CAD模型,使用局部应力应变法计算底板的疲劳寿命;最后,通过ISIGHT集成CATIA、ABAQUS和MATLAB对制动器底板进行轻量化设计。【结果】该轻量化方法可以同时对制动器底板上的多个目标尺寸进行优化,使其质量减少了9%,轻量化效果明显。【结论】该轻量化方法同样适用于其他机械零件,借助于该方法对汽车零部件进行轻量化设计有着非常重要的工程价值。

高速列车转向架轻量化设计评估系统构建

转向架轻量化设计是高速列车研发的关键技术之一,针对当前转向架基于轻量化需求进行定制设计后与定制方案的仿真优化评估相脱节等问题,建立了高速列车转向架轻量化设计评估系统的技术架构。以转向架的关键承载部件构架为研究对象,对转向架构架结构仿真评估、结构优化等关键技术进行论述。基于JISE4207标准对构架进行静强度分析和疲劳强度分析,确定危险工况,并基于贝叶斯优化算法对构架进行尺寸优化。优化后的构架质量减轻6.5%。经评估,优化后构架的静强度和疲劳强度满足标准要求,实现了转向架轻量化的目的。开发了高速列车转向架轻量化设计评估系统,以某型高速列车转向架构架为例验证了该系统的可行性。

新能源商用车电池框架轻量化设计

为了提高新能源商用车的续航能力,对其后背式电池框架进行轻量化设计。使用NSGA-Ⅱ算法进行优化设计,建立优化模型并验证其力学性能,选择优化设计变量,采用最佳空间填充设计(OSF)进行实验设计获得初始样本点,并选取验证点与建立的克里金(Kriging)模型进行拟合分析,判断Kriging模型的准确性且进行响应面优化,通过NSGA-Ⅱ算法建立优化模型,寻找最优的解集,完成对电池框架的轻量化设计,并对优化结果进行验证分析得出:电池框架在极限工况且满足强度的情况下最大应力增加了4.72%,质量减少了8.6%,达到了轻量化设计的目标。

汽车支架类铸件结构轻量化设计与实践

汽车轻量化作为节能环保的一种有效方法,对于改善能源、环境与安全问题具有重要意义。笔者通过工程实践从多个角度系统地开展了汽车结构件轻量化设计技术研究,总结提炼出结构件轻量化设计的原则与手法,进一步丰富了汽车零部件轻量化设计的技术基础,为整车的轻量化研究提供了参考。

基于Altair Inspire的四旋翼无人机机身部件轻量化设计方法

无人机的续航能力是其性能优劣的一个重要指标,而影响续航的最主要因素是机身的质量,为了减轻无人机机身部件质量,利用Altair Inspire轻量化设计软件,对一种四旋翼无人机机身部件进行拓扑优化,几何重构、强度校核、并自动拟合重构得到优化模型,优化后的该模型仍存在一些缺陷,最后通过手动拟合重构得到进一步优化,达到在强度、最大位移和最小安全系数满足条件的情况下,尽可能减轻模型的质量,以达到轻量化的设计目的。结果表明,在满足强度、最大位移和最小安全系数要求的条件下,实现了71.8%的减重,有效减轻了质量,提高了无人机的续航能力,为无人机的轻量化设计提供了一种可行的方法。

点阵结构单元力学性能及在结构轻量化设计中的应用

针对特定功能点阵结构实现结构轻量化设计的问题,利用拓扑优化方法,构建了点阵结构单元构型。首先,从实际载荷工况特征出发,构建了初始设计模型,根据拓扑优化思想,设计出了符合力学性能特性的创新点阵结构单元谱;其次,采用有限元分析方法,获取了点阵结构单元的力学性能,提出了以比刚度为指标的单元性能评价方法,得到了点阵结构的力学性能规律;然后,建立了典型点阵结构单元比例试件,进行了力学实验分析,通过实验数据对比,对点阵结构单元性能规律的准确性进行了验证;最后,将点阵结构性能规律应用于汽车发动机连杆的结构轻量化设计中,通过分析汽车发动机连杆的载荷特征来匹配点阵结构单元谱,填充了相应的点阵结构。研究结果表明:填充后的连杆体积减少了45%,而比刚度提高了90%,验证了点阵结构单元数据库的有效性和实用性。该点阵结构单元数据库能够为复杂零件的结构轻量化设计提供有力的科学依据。

集成参数化有限元与响应面的矿用螺旋输送机带式螺旋轴轻量化设计

针对工程机械优化目标函数隐性化和求解效率低的问题,文中提出了一种集成参数化有限元与响应面的优化设计方法,并以矿用螺旋输送机带式螺旋轴轻量化设计为例,说明了该方法的思路与实现过程。为提高有限元建模效率,开发了基于APDL的带式螺旋轴参数化有限元模型,实现了不同尺寸带式螺旋轴的快速有限元分析。通过析因试验筛选出对带式螺旋轴受力分布和疲劳寿命影响显著的设计变量,并以结构强度和疲劳寿命为约束建立带式螺旋轴轻量化设计模型。采用优化的拉丁超立方采样并结合有限元仿真结果建立响应面模型,来拟合设计变量与目标函数之间的隐式关系,最后通过Minitab响应优化器进行寻优求解,实现带式螺旋轴减重15.4%。求解及验证结果表明:所提出的方法不仅轻量化效果明显,而且可以在保证计算精度前提下缩短设计周期,提高整体优化效率。

基于有限元分析的医用桥梁式吊塔轻量化设计研究

目的:为解决医用吊塔由于质量与体积过大所带来的安全风险和安装维护困难的问题,基于有限元分析对医用桥梁式吊塔进行轻量化设计。方法:采用Altair HyperWorks CAE平台建立医用桥梁式吊塔悬梁的有限元模型,在刚度和强度计算结果的基础上对其进行拓扑优化及尺寸优化。比较优化前后医用桥梁式吊塔悬梁端部的变形角度、最大应力及质量,并完成优化方案验证。结果:优化后的医用桥梁式吊塔悬梁模型相比原模型变形角度仅增加了0.05°,最大应力仅上升了9.1%,但质量减轻了20.2%。在4倍承载条件下优化后的医用桥梁式吊塔悬梁最大应力为240 MPa,承载性能满足相关要求。结论:该研究在保证医用桥梁式吊塔悬梁的刚度和强度性能满足要求的同时,实现了悬梁的轻量化设计。

混合灰色关联和有限元法的铝合金三明治板轻量化设计

汽车轻量化设计是实现节能减排的重要途径,为设计出性能优良的铝合金三明治货车防滑踏板,针对不同芯层结构的铝合金三明治板展开研究;建立了I型、V型、U型三种芯层结构的铝合金三明治板结构模型;应用有限元法对实际工况下I型、V型、U型三种芯层结构的铝合金板的应力、位移值进行分析,并基于灰色关联法建立以质量、最大挠度、最大应力为变量的综合性能评价函数,得出V型铝合金三明治板为优选结构;以上、下板以及芯层厚度为优化变量,质量最小化为优化目标,分别采用全局响应面法及可行方向法对V型铝合金板进行尺寸优化,并对优化结果进行对比分析,发现两种方法优化方式均有较好的优化结果,但基于可行方向法的迭代时间更短、效率更高,优化后铝合金板减重约29.5%,具有很好的应用价值。

纯电动洒水车轻量化设计

洒水车是常见的一种专用车辆,在园林绿化、工程建设、消防等方面应用广泛。纯电动洒水车由于需要输出一定的额定功率而必须负载比较大的电池组,从而导致整车的额定载重量(载水量)受到限制。文章在分析纯电动底盘的基础上,通过CAD对洒水车的罐体形状及材料进行优化设计,从而达到减轻整备质量,提高额定载重量(装水量)的目的,同时也为同类专用车罐体的轻量化设计提供了技术参考。