连续体结构与支撑综合拓扑优化设计方法

针对标准结构拓扑优化时支撑边界条件预先给定不变的情况,将支撑作为设计变量参与优化过程,提出了一种基于SIMP的结构与支撑综合拓扑优化设计方法.这种方法被应用到最小柔度的刚度拓扑优化设计中,进行了二维数值实验,并讨论了成本系数、弹簧原始刚度和中间支撑密度单元对结构拓扑优化分布的影响.     

基于SIMP和SSV的结构与支撑拓扑优化设计

针对SIMP方法中,存在中间支撑密度单元,且对拓扑分布有一定影响的情况,引入SSV约束,提出了一种基于SIIVIP方法和SSV约束的方法即SIMP-SSV方法,其思路是用SIMP的优化结果初始化SSV方法中的设计变量,再用SSV方法得到最终的优化目标.用SIMP-SSV方法同时进行了具有最小柔度的结构与支撑的拓扑优化设计.算例表明,SIMP-SSV方法不仅使拓扑分布更加清晰,有效消除了中间支撑变量对结构与支撑拓扑分布的影响,而且可使最小柔度比SIMP的更小.     

基于ANSYS的永磁电机转子冲片结构的优化设计

运用ANSYS的优化设计模块对永磁电机转子冲片隔磁桥附近的结构进行优化设计,采用APDL参数化设计通过拓扑形状优化功能确定冲片优化的初始区域,在此基础上运用尺寸优化功能确定最优的形状尺寸参数,最终结合工程化要求确定转子冲片的施工结构尺寸。电机最后通过最高转速试验表明文章运用的结构优化设计方法切实可行,满足工程化生产要求。     

基于变密度法的约束阻尼结构拓扑优化研究

约束阻尼结构拓扑优化是轻量化设计要求下实现噪声与振动控制的关键技术。采用有限元方法建立约束阻尼结构的动力学有限元模型。基于实体各向同性材料惩罚(SIMP)插值方法,以模态损耗因子最大化为目标,约束阻尼材料用量为约束,构建约束阻尼结构的拓扑优化模型。利用伴随向量法推导了目标函数对设计变量的灵敏度,通过优化准则法对优化模型进行求解。数值结果表明:优化后约束阻尼板结构的模态损耗因子提高比基本在50%以上,且振动振幅值有明显抑制。     

非接触式转子泵优化设计

以转子形状参数为变量,以流量和转子腔体积最小为设计目标,考虑齿轮腔和转子腔结构的有关约束,建立了非接触式转子泵的优化设计模型,给出了优化设计步骤。实例分析证明,该方法可以在保证泵体积小、齿轮腔与转子腔结构协调的情况下,满足有关结构和性能参数的设计要求。     

抑制拓扑优化中灰度单元的双重SIMP方法

为了抑制连续体结构拓扑优化结果中的灰度单元,在实体各向同性材料惩罚密度法(Solid isotropic microstructures with penalization,SIMP)的基础上提出一种双重SIMP方法。首先利用含有灵敏度过滤的SIMP方法对设计变量进行迭代和优化,将优化结果作为中间变量,然后用不含有灵敏度过滤的SIMP方法对中间变量进行优化迭代,得到最终优化结果。以简支梁的结构柔顺度最小为例,将双重SIMP方法用于柔性结构的优化设计中并与标准SIMP算法相比;结果表明,双重SIMP方法得到清晰的拓扑分布结构,有效抑制了灰度单元,并且双重SIMP方法可以得到更小的结构柔顺度,证明了该方法的有效性;双重SIMP算法的灰度单元对惩罚因子的依赖性很小,可以选用较小的惩罚因子;针对不同的网格划分模型,双重SIMP算法得到的优化目标和灰度单元数更稳定,体现出了很好的网格依赖性。说明该方法具有很好的适用性和稳定性。     

考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑构型设计

为了避免大变形引起静强度失效,提出一种考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑优化设计方法。采用Total Lagrangian描述方法和增量式Newton Raphson法求解机构的大变形响应问题;采用基于假设密度场的单元势能插值法,从而避免几何非线性拓扑优化出现的数值不收敛问题;以输出位移最大化作为优化目标,采用改进的P范数将机构所有单元局部应力约束转换为一个全局应力约束,构建考虑全局应力约束的柔顺机构几何非线性拓扑优化模型,采用移动渐近线算法求解优化问题。数值算例结果表明,采用本文方法获得的大变形柔顺机构能够有效满足应力约束。随着允许应力约束值的减小,机构构型中的铰链区域逐渐扩大,使机构的柔度分布更加均匀,但是输出位移逐渐减小。     

基于拓扑优化和形状优化方法的主轴承盖结构设计

提出基于拓扑优化和形状优化的主轴承盖结构设计方法.在拓扑优化建模中,提出基于RAMP插值函数的ICM拓扑优化方法.在形状优化建模中,提出基于近似一差分敏度分析方法的形状优化方法.拓扑优化和形状优化模型以结构响应量为约束,体积最小化为目标,保证不同层次优化模型的承接性.针对某内燃机主轴承盖进行优化设计,优化结构分析结果表明,优化后的主轴承盖在满足结构刚度和强度条件下实现了结构体积最小化.证明提出的方法在主轴承盖结构设计中可行且有效.     

基于拓扑优化方法的赛车制动踏板轻量化设计

为了得到轻量化的赛车制动踏板,将拓扑优化方法引入到踏板的结构设计中,建立了轻量化优化设计的数学模型;并对踏板初始设计几何模型进行了3种受力情况的减重优化,得到质量分别减少301.5,319,293.95g的3种拓扑结构;最后,根据实际工况和机加工工艺要求选择第2种方案进行了强度、安全系数和寿命的仿真校核和样件的加工制造,并装配到赛车上进行了物理实验。结果表明,优化设计的制动踏板满足工作要求。     

离心泵蜗壳拓扑优化设计方法研究

为了提高离心泵的水力性能,采用拓扑优化方法对离心泵蜗壳进行拓扑优化设计,建立了优化数学模型,优化目标函数为最小化流体的总压损失,约束条件为流体域的体积约束.基于OpenFOAM,编制了优化问题分析和求解程序,通过连续伴随法求得目标函数对设计变量的灵敏度,采用移动渐近线法(MMA)求解优化问题.二维蜗壳优化结果表明,提出...     

粘弹阻尼抗振结构双向渐进法拓扑动力学优化

基于阻尼结构各层形变位移关系,推导了结构振动微分方程。构建了以阻尼比最大化为优化目标,阻尼材料用量为约束,阻尼单元状态为设计变量的拓扑优化数学模型。为寻找结构优化迭代方向,推导了模态阻尼比灵敏度。建立阻尼单元增删准则,利用独立网格滤波技术进行滤波处理,采用双向渐进优化算法对阻尼结构进行了拓扑优化。按常规渐进法优化后,1阶、3阶阻尼比增幅分别为54.51%、36.21%,而按双向渐进优化所得相应阶次的模态阻尼比增幅则分别达76.69%、58.36%,且可有效改善阻尼结构优化后的棋盘格现象。为验证双向渐进优化算法拓扑优化结果,对阻尼结构进行谐响应分析与仿真,结果表明:采用双向渐进法优化时,结构特定阶次响应幅值更低,减振效果更佳。     

基于拓扑降耦的3T1R并联机构设计与运动学特性分析

根据基于方位特征方程（POC）的并联机构拓扑结构设计理论及方法,设计了一种低耦合度三平移一转动（3T1R）并联机构,对该机构进行了拓扑结构分析,包括方位特征、自由度及耦合度计算,该机构具有部分运动解耦性。但耦合度k=1只能求得位置正解的数值解,不利于后续的尺度优化、误差分析及动力学分析,为此对其进行拓扑降耦优化设计,即在基本功能（DOF、POC）以及部分运动解耦性不变的情况下,使其耦合度k=0并具有符号式位置正解。运用基于拓扑特征的运动学建模原理求解该优化机构的符号式位置正解,基于导出的雅可比矩阵进一步分析了机构发生奇异的条件,分别基于位置逆解和位置正解求解机构的工作空间,研究表明,基于位置正解的机构工作空间分析具有计算过程简单、计算精确、计算量少等优点。本研究为该机构后续的尺度优化、误差分析及动力学分析奠定了基础。     

集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计

用ANSYS软件对某集装箱半挂车车架进行了结构拓扑优化设计。探讨了拓扑优化设计过程中，基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题，分析了ANSYS软件中有关拓扑优化函数的应用方法。实现了拓扑优化方法在汽车结构的初始设计过程中的应用。     

果园开沟施肥机机架优化设计与试验

为提高果园开沟施肥机的动态作业性能,避免共振的发生,同时保证作业时开沟一致性及施肥稳定性,对其机架进行多目标优化设计。首先,建立果园开沟施肥机机架的参数化模型及有限元模型。其次,通过模态分析,得出机架的固有频率及振型,研究其对整机动态性能的影响,将一阶模态频率设定为目标函数。通过机架灵敏度分析,得到各杆件厚度对一阶模态频率的灵敏度,将灵敏度杆件的厚度设定为设计变量,将其厚度变化范围设定为约束条件。根据现代农机结构轻量化设计的要求,将机架的质量也作为目标函数。以目标函数、设计变量、约束条件为基础,构建机架多目标优化的数学模型。然后,基于Hammersley抽样方法,按约束条件选取42组试验样本进行试验设计,并计算其对应的目标值。根据试验设计结果,选用移动最小二乘法并拟合出对应响应面。其中,一阶模态频率响应面模型的决定系数R2=0.9974,质量响应面模型的决定系数R2=0.9999,均大于拟合模型要求的精度0.9,拟合精度较高,满足设计要求。最后,基于响应面以及多目标遗传算法对果园开沟施肥机机架进行结构优化设计。优化结果表明：优化后的果园开沟施肥机机架一阶模态频率由原来的35.39Hz提高到38.31Hz,提高了8.25%,且远离拖拉机的输入频率35Hz;优化后质量为389kg,满足在提升一阶模态频率下,质量最小的要求。优化后果园开沟施肥机作业的开沟一致性系数和施肥稳定性系数比优化前分别提高3.72%、3.57%,提升效果明显,满足果园开沟施肥生产要求。     

基于CFD的轴流泵针对性设计与试验

凌城抽水站各运行工况下的扬程范围变化比较大,在对该泵站轴流泵选型分析时发现,南水北调同台测试中的水力模型能够满足其运行的基本要求,但均有其不合理性:高效区扬程满足设计扬程时,最高扬程缺少安全余量;最高扬程满足时,高效区扬程偏离设计扬程,效率偏低。基于CFD计算对凌城站水力模型进行针对性设计,通过改变叶栅稠密度和翼型安放角,采用多工况优化设计的方法,使得最终设计方案能够满足凌城站的运行要求。然后对水力模型的最终设计方案进行泵段数值模拟研究,数值模拟结果表明该针对性设计的水力模型效率较高,同时兼顾到凌城站最高扬程的要求。最后对针对性设计的水力模型进行泵段试验,试验结果表明基于CFD的轴流泵水力模型的针对性设计是准确的、可靠的,针对凌城站设计的水力模型确实能够更好地满足该泵站的特殊水位要求。同时也说明,对于大型泵站的更新改造,水泵水力模型的针对性设计研究是必要的。     

发动机支架结构拓扑优化设计

突破传统的零部件设计方法,将基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法应用到发动机支架结构设计中,以结构刚度作为约束条件,重量最小化为目标函数,对三种工况载荷下的发动机支架进行了拓扑优化设计,在保证结构强度的前提下,获得优化模型中材料分布的最佳形式,结合工程实践设计出刚度高重量轻的发动机支架合理结构,避免了设计过程中的盲目性和主观性,提高了设计效率。     

基于CFD-DEM的机采鲜叶管道集叶过程数值模拟研究

为揭示乘坐式采茶机的集叶管道内部气流特性,利用计算流体力学（CFD）和离散单元法（DEM）对管道内气固两相流动进行数值模拟。通过多球面聚合法建立机采鲜叶数值计算模型,在分析鲜叶颗粒运动规律基础上,分别对其不同进口风速、鲜叶颗粒尺寸、弯管结构进行模拟分析。研究结果表明,数值模型可预测集叶管道的集叶效果以及最佳风速;在最佳进口风速范围内,鲜叶颗粒越大,管道内的剩余颗粒越多,容易产生沉积;鲜叶颗粒流在穿过竖直管道到弯管时形成一束弯管流曲线,且弯管结构对鲜叶颗粒运动有一定影响,流场平均速度呈先降低后升高的变化规律。选用一个弯管半径为0.04m圆角弯管作为集叶弯管结构,同时减少横向管道长度,选择内侧长度为0.03m竖直管,避免鲜叶颗粒由重力作用导致的沉积,保证集叶顺畅性。数学模型仿真与试验结果表明：减少横直管长度,采用圆角弯管与适合的竖直管长度的集叶管道,穿透率不小于86.8%,满足集叶要求。本文提出的鲜叶颗粒建模方法,用于集叶管道与鲜叶流相互作用的离散元仿真分析及管道结构优化。该研究可为集叶管道其他工作参数优化提供参考。     

全地形车中、后桥双横臂平衡悬架设计

为实现恶劣路况下某三轴全地形车中、后桥垂直载荷的合理分配,将其中、后桥双横臂独立悬架设计成平衡悬架。本文首先根据拟选结构方案,建立平衡悬架理论模型,推导优化目标函数与设计参数之间关系,使用MATLAB软件编程优化设计变量;然后以优化结果为输入参数,在ADAMS/V iew环境下建立平衡悬架动力学模型,验证设计结果;仿真分析表明该平衡悬架满足中、后桥载荷合理分配要求。