连续体结构多工况拓扑优化与轻量化设计研究

汽车轻量化能有效地降低燃油消耗并减少污染物排放,是实现汽车节能减排的重要举措之一。拓扑优化是连续体结构轻量化设计的常用方法,由于实际工况通常较复杂,一般连续体结构的拓扑优化属于多工况拓扑优化问题,此时拓扑优化结果存在较多影响因素。本文引入多工况拓扑优化性能指标PI,通过算例对多工况拓扑优化权重系数的选取方法进行分析,寻找最佳权重系数分配方法,有效的解决了连续体结构多工况拓扑优化权重系数的选取问题。以某重型商用车平衡轴支架为应用对象,开展平衡轴支架多工况拓扑优化与轻量化设计,结果表明在满足性能要求的前提下,平衡轴支架减重了28.1%。

多工况载荷下动力舱支架结构拓扑优化设计

为了将拓扑优化方法引入某动力舱支架结构的优化设计,采用基于变密度方法的结构拓扑优化技术,以最小化结构静力和频率特性合成柔度指数为目标函数,以保留体积比为约束条件,进行了支架结构的拓扑优化设计,并对优化前、后支架结构的刚强度及模态振型进行了对比与分析,结果表明优化以后动力舱支架的静、动态特性均得到了较大幅度的改善,最大应力由954MPa降低为207MPa,1阶固有频率由48.5 Hz提高到141 Hz,说明采用拓扑优化技术进行动力舱支架结构的优化设计是一种行之有效的方法。

多工况下汽车发动机支架静动态拓扑优化设计

为实现汽车结构件轻量化优化设计,将结构拓扑优化技术引入到发动机支架设计中,并采用多工况下静动态联合拓扑优化技术对其进行拓扑优化分析,同时给出拓扑优化结果解读思路和方法。通过优化后的发动机支架在结构耐久、模态和强度均满足设计要求的同时实现轻量化,表明拓扑优化技术在汽车结构轻量化优化设计中的有效性和可靠性。

面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计

分析了严酷载荷工况下航空发动机外部系统支架的力学性能,以两种极限载荷工况下的支架柔顺度为目标函数,采用增材制造材料横观各向同性模型,开展了面向增材制造的外部系统支架拓扑优化设计与性能校核。金属激光增材制造样件的力学试验表明:面向增材制造的支架设计较初始结构质量减小约15%,刚度增大约20%,一阶固有频率提高约15%,结构强度显著增大。该方案实现了1个外部系统支架、2个管路支架和4颗铆钉的一体化增材制造,有效提升了发动机装配质量和效率,顺利通过地面静载和发动机点火试验。

多工况载荷下航空发动机支架拓扑优化设计

将基于变密度法的拓扑优化技术引入到航空发动机外部支撑结构(例如附件支架)设计中,以多工况下的总柔度为目标函数,以体积为约束函数对某发动机支架进行基于拓扑优化的结构设计。根据发动机机匣与附件的相对位置关系建立支架初始模型,开展发动机外部支架结构受力分析研究,建立了基于多工况载荷下拓扑优化和考虑强度影响的尺寸优化相结合的发动机外部支撑结构设计方法,并对最终支架结构进行强度、振动、外廓性校核评估。结果表明:最终模型最大应力出现在工况3情况下,最大主应力为345 MPa低于材料疲劳极限;支架的第1阶固有频率在发动机最高转速频率的1.25倍以上。采用该方法对某发动机外部支撑结构进行拓扑优化设计,在满足强度、振动和外廓要求的前提下,最终模型质量仅为初始模型的7.3%。基于多工况的优化结果更符合发动机实际工作需求,该方法研究具有工程应用前景。