基于SIMP变密度法的工业机器人大臂拓扑优化设计

以某工业机器人机械大臂为研究对象,基于SIMP变密度法的拓扑优化数学模型思想,先使用ADAMS软件获得机器人大臂在最劣工况下的载荷情况,然后通过Altair Inspire软件,设置机器人大臂最劣工况载荷,对原始模型进行有限元分析,并以最大化刚度为优化目标,完成了机器人大臂的拓扑优化设计。通过对机器人大臂各种优化方案的对比,结果表明,在满足机器人大臂载荷、空间要求和刚度要求的前提下,减重率达26.28%,达到了机器人大臂轻量化设计的目的,并为相关结构件轻量化设计提供了参考。

纯电动厢式垃圾车尾门纵拉臂的轻量化研究

随着汽车电动化的不断发展,通过减轻整车质量以提高车辆续航能力,成为汽车制造业发展的主流趋势。以纯电动厢式垃圾车的尾门纵拉臂为例,基于Altair有限元软件的Optistruct平台,以SIMP变密度拓扑优化方法进行纵拉臂的轻量化设计。结果表明,优化后的纵拉臂结构整体质量轻于初版结构,而且结构强度也获得明显提高。为商用车上装部件的轻量化设计思路提供了一定参考价值。

起重机箱形梁静刚度拓扑优化设计研究

起重机是广泛使用的起重设备,而起重机箱型梁的重量占起重机总重的一半还要多,起重机箱型梁结构的性能影响到整个起重机的性能,故对其进行合理的优化设计是很必要的。文章依据有限元理论和拓扑优化思想,以30t双梁桥式起重机箱形梁为研究对象,选用固体各向同性微结构(SIMP)材料插值模型,建立体积为约束柔顺度最小化的优化模型,采用OC准则求解得到最优拓扑结构,对拓扑优化中出现的棋盘格现象和网格依赖性选择灵敏度过滤进行处理,并通过编写的MATLAB程序实现箱形梁的拓扑优化,使箱形梁结构整体刚度得到提高。

四立柱液压机下横梁结构的拓扑优化设计

四立柱液压机下横梁为箱型结构,通常采用经验和类比进行设计,结构合理性有待验证,而使用拓扑优化方法可以在结构初期设计阶段就找到材料的最优分布。使用变密度法拓扑优化理论,基于SIMP密度材料插值模型建立柔顺度最小体积约束数学模型,通过灵敏度过滤来抑制数值不稳定现象,使用OC准则迭代求解下横梁优化结果,确定最优传力路径,最后通过模型重建设计出全新四立柱液压机下横梁概念模型,并在有限元软件中验证该结构的可行性。此研究对四立柱液压机下横梁设计具有一定的指导意义。

XHGS256龙门加工中心立柱的多目标拓扑优化

为了兼顾龙门加工中心立柱结构具有更高的静动态刚度和更轻的重量的要求,基于SIMP变密度法拓扑优化理论,结合平均频率公式对各优化目标进行折衷化处理,并利用层次分析法选定子目标权重,建立了以立柱结构的相对密度为设计变量,同时考虑最小柔度和最大频率的多目标函数,并将结构体积的百分数作为约束函数对其进行优化得到新的立柱结构方案。结果表明:改进后的立柱质量减少8.96%,最大变形降低38.63%,一阶固有频率提高6.87%,满足设计指标要求。

斜井人车吸能元件静动态多目标拓扑优化设计研究

兼顾到吸能元件的吸能效果与节约材料的要求,基于SIMP变密度法拓扑优化,运用相对差值的数学方法,建立了降低静态刚度与动态各阶固有频率的多目标拓扑优化数学模型。以优化好的锥角及壁厚的泡沫铝吸能元件为分析对象,对其进行多目标拓扑优化设计,最终吸能元件在保证吸能效果的同时,质量减轻了13%,达到了节约资金的目的。

滴流床反应器催化剂颗粒微观结构的模拟优化

使用SIMP变密度拓扑优化法,对滴流床反应器催化剂颗粒的拓扑形状和催化活性组分在颗粒中的分布进行优化设计,研究了催化剂颗粒在不同的反应速率、反应级数、反应组分扩散系数和液膜厚度下的优化形态。结果表明,维持催化活性组分在催化剂颗粒载体中的浓度不变时,在颗粒中制作成洋葱或树状的中空结构可有效提升催化剂效率;维持催化剂颗粒形状不变时,为提高催化能力,可将催化活性组分沿颗粒侧表面集中分布。经催化剂结构优化后,颗粒对一级反应的催化转化率提高了19%~36%,对二级反应提高了50%~76%;经催化活性组分分布优化后,颗粒对一级慢反应的催化转化率提高了1~6倍,对二级慢反应提高了5~7倍。

FSAE赛车立柱的优化设计

为提高赛车立柱的强度,延长使用寿命。基于多体动力学方法,运用VI-GRADE的VI-CarRealTime模块建立整车动力学模型进行动力学仿真,提取轮胎的极限载荷。通过搭建力学模型,计算立柱静力学分析所需的边界条件。根据SIMP变密度法,利用Ansys Topology Optimization对立柱进行拓扑优化。结果表明:优化后的立柱,其应力相比旧方案下降49.02%,质量降低4.71%。

起重机主梁拓扑优化设计研究

通过对桥式起重机主梁进行力学拓扑优化,用灵敏度过滤法分析不同过滤半径对优化结构的影响。选择合适的惩罚因子和过滤半径,解决了有限元拓扑优化的中部优化不稳定现象,使约束条件下主梁材料最优分布,使起重机主梁轻量化,同时提高基频。

码垛机器人转盘结构拓扑优化设计

【目的】在转盘质量不增加的情况下,通过拓扑优化对材料合理布置以达到提高转盘刚度的效果。【方法】笔者以某型码垛机器人转盘为研究对象,运用HyperWorks软件对转盘进行静力学分析,得到转盘在最危险工况下的应力云图、位移云图,再利用OptiStruct根据静力学分析结果以最小柔度为目标函数进行结构拓扑优化,得到拓扑优化云图,寻求其最佳材料分布及传力路径对转盘进行局部重构,并将优化模型通过HyperWorks软件与初始模型进行对比分析。【结果】优化后机器人转盘的质量减轻了1%,转盘最大应力下降了38.6%,转盘最大变形位移下降了19.2%,且前3阶模态和振动性能也有一定的提升。【结论】优化后码垛机器人转盘可以在重量不增加的前提下达到提高刚度的目的,同时在强度和振动性能方面也有所改进,本研究可为机器人其他部件的结构优化工作提供一定的理论依据。