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。

基于关键时间点的能量等效静态载荷法及结构动态响应优化

基于位移的等效静态载荷法是目前解决动态约束处理困难、计算收敛性差的结构动态响应优化问题的有效途径,针对位移等效静态载荷法的优化结果不准确、工程实用性差等不足,提出一种基于能量等效的动态载荷静态转化方法。该方法通过结构在动、静态载荷作用下能量变化关系推导,分析能量等效的基本原理,在载荷等效转化时刻识别基础上,进一步构建了基于能量等效理论的动态载荷等效静态转化的优化模型,最后应用全局优化算法求解找到了等效静态载荷,并以文献经典算例——124杆桁架结构为例验证方法的有效性和准确性;将理论研究成果应用于发动机活塞的动态优化设计中,验证了方法的工程实用性,同时为基于等效静态载荷法的结构动态响应优化设计提供了一种新的思想。

基于能量原理的等效静态载荷法及其在活塞动态优化中的应用

针对位移等效静态载荷法在求解结构动态优化时遇到的等效关键时间点不合理、等效结果误差大等问题,提出一种基于能量原理的等效静态载荷法.该方法通过将结构动态响应解空间进行谱元离散,识别出结构的关键时间点,并在该时间点构建了基于能量等效的动态载荷静态转化数学模型.应用优化算法搜索得到了等效静态载荷集的最优解,从而将结构动态优化问题转化为静态优化问题求解.最后,通过在某柴油机活塞油腔结构的动态优化设计中的有效应用,验证了能量等效静态载荷法的有效性和工程实用性,拓展了等效静态载荷法的理论范畴,同时为复杂结构动态响应优化设计提供了一种新的思路.

基于等效静态载荷法的车身碰撞拓扑优化

将约束释放作为边界条件引入基于等效静态载荷法的拓扑优化中,以应变能作为整车刚度的评价指标,引入相对位移作为部件柔度的评价指标.对比研究了整车正碰工况下采用约束释放和单点约束作为碰撞分析模型的拓扑优化的异同以及不同优化目标对优化结果的影响.研究结果表明:采用约束释放作为边界条件的优化结果更集中于碰撞发生位置的结构优化,而采用单点约束作为边界条件的结果更倾向于在约束处分布材料;相对位移最小可以作为优化目标,而最大化相对位移最好转化为约束条件再优化.

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汽车前端结构抗撞性尺寸和形貌优化

为了减少在低速正碰下汽车的维修成本以及实现汽车前端结构的轻量化。采用等效静态载荷方法对汽车前端结构的尺寸和形状进行了抗撞性优化设计,以整个结构质量最小为优化的目标函数,以前部结构主要部件的厚度尺寸以及节点坐标形貌为设计变量,以侵入量以及加强筋的冲压工艺要求为约束进行了碰撞优化设计。等效静态载荷法将非线性瞬态碰撞优化问题转化为多工况线性静态优化问题,数值算例证明等效静态载荷法可高效地求解碰撞优化问题,并得到高精度的最优解。

基于等效静态载荷法的平面四杆机构的结构动态优化设计

介绍并推导了等效静态载荷法(ESLM),并将其应用于结构动态优化设计。通过HyperWorks软件对平面四杆机构进行动力学分析,得到了最大动应力。运用等效静态载荷法(ESLM),把动态载荷转化为等效静态载荷,进而在HyperWorks中实现了平面四杆机构在动应力约束下的的形状优化设计。动态优化设计结果为四杆机构各杆件的形状设计提供了参考,体现出了基于等效静态载荷的形状优化方法在机械结构动态优化设计过程中具有重要的理论意义和实际的应用价值。

基于等效静态载荷法的大型振动筛轻量化处理

振动筛广泛应用于农业、煤矿、木工等行业,且均朝着大型化、高效化方向发展。大型振动筛工作一段时间后较易出现裂纹等疲劳破坏现象。该研究针对新型BF14260大型振动筛,分析了整体结构强度,确定了最大等效应力位置及主要应力分布区域,结合等效静态载荷法和子模型法,构建振动筛筛箱主框架等效静态子模型,将动态优化问题转化为静态优化问题,进行拓扑概念优化及实用模型重建,进一步进行局部强化处理,分析比较了不同处理方法的最大及较大应力节点的动态等效应力变化关系。结果显示拓扑优化处理全面有效降低应力值,且有效降低动态应力波动频率,即改善梁受力波动的稳定性以提高梁的疲劳工作寿命;局部强化处理在拓扑优化处理基础上明显降低了最大等效应力值,即使整个梁构件承载的应力获得全面有效的下降,改善了应力分布。最终优化效果为最大应力由79.4MPa下降至49.3 MPa,下降37.9%。质量减轻1 080 kg,减少了25.6%。该研究所提方法可有效解决复杂结构的动态优化问题并提高优化效率。

基于等效静态载荷法的非线性动态拓扑优化

等效静态载荷法是目前解决动态拓扑优化问题的一种有效方法,但是由于未考虑塑性变形中应力应变关系的时效性,会导致等效载荷偏大和载荷方向偏差,因此无法有效处理材料的非线性问题。据此,提出一种基于模量比率因子的等效静态载荷计算方法。首先,根据结构应力、应变和杨氏模量之间的函数关系,计算各时刻的计算杨氏模量;然后,得到各时刻的模量比率因子,根据位移等效原则计算修正等效静态载荷,进而进行多工况静态拓扑优化,并更新设计变量再次进行动力学分析,重复直至收敛。数值算例表明,修正后的等效静态载荷法能够解决弹塑性材料的非线性问题,在提高等效精度的同时拓展了在非线性材料方面的应用边界。工程算例表明,在相同约束下,采用基于模量比率因子的等效静态载荷法在轻量化的同时能得到更小的塑性应变。

基于等效静态载荷法的连杆动态优化

静态优化设计很难满足工程结构对于动态性能的实际需求,而动态优化设计不仅计算周期长,且由于受动态约束影响结果不易收敛。采用面载荷等效方法对动态载荷进行等效静态转换,对比连杆关键位置在等效静态载荷和动态载荷作用下的应力和变形,其最大误差均小于4.2%,验证了动态载荷等效静态转化的准确性。基于等效静态载荷法进行连杆动态优化设计,优化后连杆质量降低了6.70%。研究结果表明,基于等效静态载荷法的动态优化充分考虑了质量和惯量的变化对系统动态行为以及部件载荷的影响,更能满足实际工程的应用需求。

等效静态载荷法对高速轻载机构的影响因素研究

等效静态载荷法(Equivalent Static Loads Method,ESLM)是一种能够解决大多数非线性动力学系统动态响应优化问题的有效方法。针对ESLM应用在高速轻载机构优化上的不足,以焊头摆杆机构拓扑优化为例,研究ESLM内循环迭代次数和体积分数约束这两个因素对优化结果的影响情况。测试结果表明:ESLM内循环迭代次数和体积分数约束是影响高速轻载机构优化的两个重要因素。为提高优化结果,使高速轻载机构获得更好的动力学性能,应该限制ESLM的内循环迭代次数,并通过试验对比来确定最优的体积分数约束。

平台架构概念设计阶段车身结构优化方法

针对平台架构概念设计阶段的车身结构优化问题,创造性地提出一种新的方法,包含3个阶段:第1阶段为考虑真实碰撞载荷,利用多模型优化法(MMO)进行综合工况下的车身全局拓扑优化,解读不同的传力路径;第2阶段为考虑平台架构高低姿态车型,利用SFE CONCEPT软件建立不同传力路径下的车身参数化模型,进行不同动力下的结构对比分析及优化,确定车身传力路径形式;第3阶段为基于近似模型法的车身截面优化和基于等效静态载荷(ESL)法的车身料厚优化,并将优化方案代入高低姿态车型,在不同动力类型下进行验证及优化,保证车身结构处于平台架构目标性能带宽下。在某车企的平台架构概念设计阶段,利用该方法对车身结构进行了优化,验证了该方法的工程可实施性。

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。

大展弦比机翼的非线性气动弹性缩比优化

针对几何非线性效应明显的大展弦比机翼,使用两种传统线性缩比方法(刚度和质量耦合下直接进行模态匹配与解耦刚度和质量后进行模态响应匹配的方法)与非线性的缩比方法对某大展弦比机翼进行了仿真计算与比较分析,得出传统的线性缩比方法得到的缩比模型与设计目标相差较大,非线性缩比方法误差较小,即非线性缩比方法更加适用于存在明显几何非线性效应的大展弦比机翼的结论。

吸能与压溃位移约束下的轨道车辆前端结构抗撞性优化

中车长春轨道客车股份有限公司于2021年完成了世界首次在轨工况下的整列动车组被动安全碰撞试验,但是对轨道车辆前端吸能结构碰撞优化方法的研究还有待深入。本文首先对结构碰撞优化所采用的等效静态载荷法进行了介绍。其次,建立了前端吸能结构的参数化有限元模型,并进行了试验验证。最后,采用等效静态载荷法对吸能结构进行了碰撞工况下的优化设计,优化目标为整体结构质量最小,设计变量为部件的板厚,约束条件为结构吸能达到指定值时,压溃位移不超过许可值。工程算例表明:等效静态载荷法可高效求解轨道车辆吸能结构的抗撞性优化问题,为动车的被动安全设计提供了解决方案。