拖拉机液压机械无级变速器箱体的轻量化设计

以一款拖拉机液压机械无级变速器箱体为研究对象,提出了基于折衷规划多目标拓扑优化方法的箱体轻量化设计方案,同时考虑固有频率和箱体刚度对箱体进行轻量化设计。基于优化结果对变速器箱体进行详细设计,通过在轴承座孔上施加加强筋,降低该区域的最大集中应力值,以达到兼顾箱体轴承座结构刚度强度和减轻箱体质量的目的。研究结果表明:优化后的变速器箱体质量为243. 4kg,较初始箱体质量418. 2kg降低了41%;优化后箱体的最大位移为0. 158 mm,较初始设计箱体的最大位移0. 219 mm降低了23%。     

基于NSGA-Ⅱ算法的水轮机活动导叶多目标优化设计

建立了基于NSGA-Ⅱ算法的叶片多目标水力优化设计系统,该系统以叶片的形状参数为优化变量,以能量性能和空化性能为目标函数,将NSGA-Ⅱ遗传算法引入作为优化工具以实现叶片的多目标优化设计.对某电站水轮机模型活动导叶的水力性能进行了优化设计,优化后导叶流道的进出口总压损失减小了26.97%,导叶表面上的最低静压力值上升了34.176%.结果表明,优化后的导叶不仅减小了流动损失,而且具有更好的空化性能.所提出的优化方法能以较少的变量控制叶片几何形状,且能有效分析各设计变量对目标函数的影响程度和范围,缩小优化问题的规模,得到满意的优化结果,可作为一种有效的水力机械叶片优化设计工具.     

基于蒙特卡洛分析的双横臂独立悬架稳健性优化

在Adams/View中建立了双横臂独立悬架的多体动力学模型,对悬架的设计硬点位置进行了灵敏度分析,得出了对悬架性能影响最大的硬点坐标参数,并通过优化拉丁超立方采样,建立了双横臂独立悬架动力学分析的Kriging近似模型。以悬架关键硬点坐标参数为设计变量,对悬架进行了基于蒙特卡洛统计分析的稳健性优化设计。结果表明,与传统的确定性优化方案相比,在考虑设计变量的不确定性时,稳健性优化设计所得到的目标性能的失效率降低了近90%。     

履带式联合收获机底盘机架多目标优化设计

联合收获机底盘机架是整机的主体支撑结构，其质量直接影响收获机的作业性能。为此，以某履带式联合收获机底盘机架作为研究对象，在保证其刚度、强度的前提下对其进行轻量化研究。通过采用有限元分析软件Ansys Workbench建立底盘机架的有限元模型，对其进行模态分析和4种不同工况下的有限元分析；然后，以底盘机架梁的厚度为设计变量，结合空间填充设计(Optimal Space-filling Design)设计方法以及Kriging近似模型模拟计得出设计变量之间的响应关系；最后，综合考虑机架质量、最大应力、最大位移等性能指标，利用遗传算法对底盘机架进行了多目标优化。结果表明：联合收获机底盘机架质量减少24.98kg,且机架的强度、最大应力、最大形变均满足设计要求，获得较好的优化效果，为联合收获机底盘机架的结构优化与设计提供参考。     

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。     

大型风电机组增速齿轮箱箱体结构优化设计研究

建立一种以拓扑优化为基础的概念结构设计和以响应面法为基础的尺寸优化设计方法相结合齿轮箱箱体结构优化设计方法。针对某大型分流风电齿轮箱箱体结构进行优化设计,对比初始结合模型与轻量化几何模型,优化后质量降低0.8 t,证明该齿轮箱箱体轻量化方法可有效降低齿轮箱的质量。     

基于回归Kriging代理模型的吸油烟机用多翼离心风机优化

为提高风机系统的最大风量来达到吸油烟机性能改善的目的,采用一种代理模型方法对多翼离心风机的叶轮进行优化设计.确定多翼离心风机的关键参数:叶片出口角β₂、叶片最大弯曲度f和叶片出口位置Δφ及其参数变化范围,利用最优拉丁超立方试验设计方法生成44组样本.结合高可信度的计算流体力学(CFD)构建能准确反映3个设计变量与最大风量之间关系的回归Kriging模型,利用遗传算法对其进行寻优,并采用最小化代理模型预测(MSP)的加点准则达到优化收敛条件.研究结果表明:构建的回归Kriging模型能准确反映设计参数与最大风量的映射关系.对最优的叶轮设计参数进行模型试验,显示优化后的叶轮使得油烟机最大风量提高了4.4%,并且在多个工况下风量和效率均有一定程度提高.     

基于ANSYS的机床床身尺寸优化设计

基于ANSYS有限元分析方法,利用响应面优化和灵敏度分析,对机床床身进行静态、动态性能分析。以床身外壁厚度和内部筋板厚度作为设计变量,以其最大变形量和一阶固有频率作为目标函数建立数学模型。对比优化前后的尺寸参数,得出机床床身最佳优化尺寸,使机床床身的结构性能得到改进。     

基于模态对标的制动鼓优化设计

针对国产制动鼓刹车时存在啸叫的问题,参考进口制动鼓材料特性,基于响应面法对制动鼓固有频率进行优化。首先对制动鼓进行有限元模态分析以及实验模态分析。在此基础上,通过中心组合设计试验方法采样,结合最小二乘法构建制动鼓的前五阶响应面近似模型。采用活动域优化法对材料参数进行优化,并以使前五阶仿真固有频率与试验模态固有频率的相对偏差最小为优化目标,以灰口铸铁的弹性模量和泊松比为变量,以其常用取值为约束条件。相比于初始设计,优化设计后的前五阶固有频率偏差百分比总和由10.82%降至1.01%,显著提高国产化制动鼓与进口制动鼓的模态特性吻合程度。     

基于动态特性的复合桥式微动平台优化设计

为了实现复合桥式微动平台的精确运动,提出一种基于其动态特性的优化模型并对其结构参数进行优化。采用虚功原理推导出平台的运动、刚度和强度特性模型。采用伪刚体法和Lagrange方程建立平台的动态特性模型。建立的所有模型是以结构参数为变量的封闭形式,为平台优化设计提供理论模型。由理论模型与有限元分析的结果比较分析可知,两者所得的结果误差范围为6.0%~9.3%,表明所推导出的特性模型的正确性和精确性。根据固有频率和放大倍数封闭形式的模型,分析其对结构参数的灵敏度,由此选出对平台动态特性影响较大的优化设计变量。提出一种以平台的动态特性固有频率和放大倍数为目标,铰链强度、输入刚度和几何尺寸为约束的优化模型。结果表明优化后的平台能获得更大的固有频率和放大倍数,说明方案能满足其优化设计要求。     

基于变速箱体振动特性的阻尼层拓扑优化设计

铺设阻尼层是目前降低车辆振动和辐射噪声的有效方法,本文基于阻尼层的铺设进而研究其对变速箱振动和噪声的影响。首先,通过对液力机械无极变速箱箱体有限元模型进行模态频率响应分析,获取变速箱前5阶振动峰值频率。然后以最小结构模态应变能为优化目标,采用拓扑优化方法获取到一个满足最小峰值响应的最佳阻尼分布情况。通过优化前后的结构性能对比,优化后箱体上阻尼层铺设面积为可用面积的30%,箱体的前5阶固有频率提高2%～10%,其中2阶固有频率从575.33 Hz提升至596.25 Hz,合理地错开共振频率且节省阻尼材料。本优化设计思路对于合理使用阻尼材料降低机械结构的振动频率具有一定的参考作用。     

基于遗传算法的齿轮传动可靠性优化设计

以可靠性理论为基础,将齿轮的应力与强度视为服从正态分布的随机变量,通过建立以最小体积为目标,以强度、可靠性为约束的优化模型,对齿轮传动的主要结构参数进行优化设计.以某轿车减速器齿轮传动为例,建立优化模型,利用MATLAB遗传算法求解模型.与原始设计相比,经优化后齿轮分度圆体积之和减小16.4％,齿轮结构更加紧凑,实现了...     

小麦粉等距螺旋喂料装置优化设计与试验

针对自动包装生产线上输送小麦粉等距螺旋喂料装置参数以经验设计为主、缺乏系统设计方法的问题,基于粒子群算法对螺旋喂料装置参数进行了优化设计。首先,针对输送小麦粉螺旋喂料器流量计算公式与实际流量误差较大、降低参数优化设计准确性的问题,以实际流量与理论流量的差值作为响应值,以对流量差值影响显著的螺距、内轴径、转速为变量设计正交试验,建立了变量与响应值之间的二阶回归方程,由此得到修正后的小麦粉流量计算式;然后,基于粒子群算法,以流量最大和螺旋体质量最小作为优化目标,以螺旋叶片外径、螺距、内轴外径、内轴筒内径作为变量,并采取比例的形式将2个目标转换为单目标优化问题,进行寻优求解;最后,根据算法优化结果进行试验,结果表明,优化后流量为3.0546t/h,比经验设计值提升了18.15%,螺旋体质量为6.2779kg,比经验设计质量减小了29.39%,修正后优化的理论流量为2.8647t/h,与实际测定流量的误差为6.22%。     

基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化设计

传统离心泵多目标优化设计中,代理模型的预测精度随着Pareto前沿不断向前推进将逐渐降低,为改善离心泵多目标优化效果,提出一种基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化方法,将生成的Pareto前沿解中部分最优样本添加到RBF样本集中,重新训练RBF代理模型,依据动态代理模型预测子代各样本的目标函数值.以MH48-12.5型离心泵为研究对象,选取叶片的进口安放角、出口安放角及叶片包角为优化变量,采用拉丁超立方抽样(LHS)构建代理模型初始样本空间,并以扬程和效率为优化目标进行多目标优化分析.结果表明：动态RBF代理模型多目标优化方法得到的Pareto前沿要大大优于静态代理模型方法结果,静态代理模型方法得到的Pareto前沿各点均被动态模型方法得到的Pareto前沿所支配;动态代理模型对前沿解的预测精度均大于静态代理模型;动态代理模型方法得到扬程最大点比原始设计高2.86%,比静态模型高1.03%;动态代理模型方法得到水力效率最高点比原始设计效率高4.36%,比静态模型高1.32%.     

基于响应曲面分析的卷盘式喷灌机行星齿轮减速箱壳体结构优化

为了解决采用传统方法对电驱动卷盘式喷灌机行星齿轮减速箱壳体壁厚设计不合理以及实体试验成本高的问题,对壳体几何建模及静力分析,发现传统设计壳体最大形变量为0.045 738 mm,对壳体影响较小;而最大应力为2.581 4 MPa,位于第三级行星齿轮的箱壁处,且壳体应力分布明显不均匀。采用SolidWorks对减速箱壳体进行参数化建模,选取壳体结构的4个关键尺寸参数作为设计变量,基于响应曲面方法,对数据拟合度、设计变量和目标参数灵敏度、目标参数间的关系以及设计变量对目标参数的响应线和响应面进行了分析,得到壳体中部壁厚对壳体质量影响最大,机体后端壁厚对最大形变量及最大应力影响最大,经过优化,壳体的质量从138.4 kg下降到127.6 kg,减轻了7.8%,最大变形量减少11.5%,箱体所受最大应力减少19.9%。为减速箱后续研制提供了有力的参考依据,降低了开发成本。     

立式微耕机减速器结构参数多目标优化研究

为降低山地低矮树型用立式微耕机前端高度,减轻微耕机的重量,保证减速器传动性能,设计一种新型立式微耕机减速器,建立以该减速器传动齿轮的体积最小和重合度最高为目标的优化设计模型,运用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)获取该变速器中各传动齿轮的最优结构参数。优化结果表明:相比于传统经验设计方法,该新型减速器经过优化之后齿轮重合度基本不变,齿轮总体积和总重量均减小了20.3%。     

基于ANSYS的液压机悬挂夹紧装置结构优化

采取结构拓扑优化与响应面法相结合的方法,对液压机悬挂夹紧装置存在的设计冗余问题进行结构尺寸优化。首先,在ANSYS软件中分析网格划分方式,得出同时满足计算精度和收敛速度的网格划分方式,并基于该网格划分方式对悬挂夹紧装置进行静力学分析及拓扑优化,得到了新的结构形式;然后,根据此结构形式设置了4个尺寸变量;最后,以悬挂夹紧装置最大等效应力最小为优化目标,通过响应面法建立了最大等效应力与各尺寸变量间的二次多项式回归方程,得到了最大等效应力最小时各尺寸变量的值,并通过ANSYS仿真对结果进行验证。结果显示,优化后悬挂夹紧装置质量减轻16.8%,最大等效应力减少21.9%,既保证了足够的强度,也完成了轻量化设计,为工程实践设计提供了参考。     

基于拓扑优化的变速箱壳体轻量化设计

针对某丘陵山区小型联合收割机变速箱轻量化问题,对变速箱壳体进行结构优化设计。以变速箱壳体的柔顺度最小为目标函数,应用变密度法进行变速箱拓扑优化,去除部分多余材料,并进行了加强筋设计;基于响应面法建立变速箱壳体结构尺寸多目标优化模型,发现箱体壁厚和加强筋2宽度对变速箱壳体强度、刚度影响较大,再应用综合指数评价法得到壳体结构尺寸参数的最优解;最后,进行优化前后对比分析。结果表明:优化后壳体质量减少了17.1%,强度和刚度还有所提高。     

水平轴海流能水轮机的多目标优化设计

能量捕获效率和轴向水推力系数是海流能水轮机转轮的2个重要性能参数.提出了一种水平轴海流能水轮机转轮的多目标优化设计方法.首先采用贝塞尔曲线参数化技术将海流能水轮机转轮叶片节距角分布曲线进行参数化;然后选取转轮的能量捕获效率和轴向水推力系数作为目标函数,并根据BBD试验设计方法和响应面技术建立设计变量和2个目标函数之间的二次多项式响应关系;最后采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法作为优化算法,以叶片节距角分布曲线控制参数为设计变量,以能量捕获效率和轴向水推力系数作为目标函数,以设计变量与目标函数之间的响应关系作为个体适应度评价函数,对海流能转轮进行优化.优化后,叶轮的轴向水推力系数降低了2%,同时能量捕获效率提高了0.4%,证明了所采用的优化方法的有效性.     

基于RBF神经网络和NSGA-Ⅱ算法的海水淡化高压泵多工况优化设计

为提高透平式能量回收一体机的水力性能,采用RBF神经网络、NSGA-Ⅱ遗传算法和数值模拟集成的设计方法,对高压泵进行多工况优化设计.以高压泵三工况点的加权平均效率为优化目标,设计工况点下的扬程为约束条件,结合Plackett-Burman筛选试验,将进口安放角、出口安放角、叶片出口宽度及叶片包角作为优化变量,采用最优拉丁超立方设计试验空间,基于Isight多学科优化平台,通过编写批处理命令集成CFturbo,ICEM,CFX等,搭建智能水力优化平台,实现高压泵的CFD自动预报.基于数值模拟结果,利用RBF神经网络建立目标函数与几何参数之间的非线性关系,并运用NSGA-Ⅱ算法对该模型寻优.研究结果表明:RBF神经网络模型能够准确预测高压泵效率以及扬程与设计变量之间的关系;优化后高压泵与初始方案相比,3个工况点加权平均效率提高了3.38%,在0.8Q_d,1.0Q_d和1.2Q_d工况下效率分别提高了2.21%,3.59%和4.23%;优化后叶轮在设计工况点附近轴功率略有减小;对比优化前后叶轮的流场分布,优化后的叶轮进口低速区减小,内部速度梯度分布更加均匀,流场得到明显改善,能量耗散减小.研究结果可为高压泵多工况水力优化设计提供一定理论依据.