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。     

基于双向渐进结构优化法的装载机动臂拓扑优化

利用双向渐进结构优化法研究了装载机动臂结构的拓扑优化问题。利用有限元软件ANSYS的APDL语言进行二次开发,实现了多工况下基于应力水平的双向渐进结构优化法(BESO)。对装载机工作装置的动臂进行多工况下的结构双向渐进拓扑优化,得到了动臂的最佳拓扑结构。结果表明了该方法的实用性和有效性,且比ESO方法具有更高的效率。     

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。     

硅片传输机器人手臂的拓扑优化

对硅片传输机器人手臂进行实体建模,用OptiStruct对手臂进行模态分析,然后对其进行拓扑优化,并计算出新手臂的结构,建立新的模型,最后对新的手臂进行模态分析。结果表明,新结构的手臂更省材料,最小固有频率变化不大,实现了减材的目的,更有利于晶圆快速、高效、平稳地传输。     

FSC赛车空气动力学套件支架优化

以中国大学生电动方程式赛车空气动力学套件的天鹅颈支架优化为研究目标,采用有限元方法对其进行受力、强度分析和拓扑优化.在满足大赛规则和强度的要求下获得最终的支架模型,比优化前重量降低了48.67％.赛车通过参加比赛实践验证优化后的支架符合赛事规则和强度要求,这对机械零部件的优化具有参考和借鉴意义.     

基于联合算法的连续体结构拓扑优化新方法

由于遗传算法（GAs）的随机性,其直接应用于拓扑优化问题时会产生棋盘格现象。因此,研究小组提出了一种新的拓扑优化方法,它在传统的双向进化结构优化算法（BESO）的基础上融合了非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）,并利用NSGA-Ⅱ算法的全局进化机制,改善BESO算法的全局最优可搜索性。优化目标为结构刚度最大化,数值算例验证了算法的有效性与稳定性。在相同约束条件下与传统BESO算法比较,发现研究小组提出的方法可以提高结构刚度,证明了其优越性,并且其适用于复杂的工况条件,对工程结构的优化具有指导意义。     

小型甘蔗收获机车架拓扑优化与试验

为提高小型甘蔗收获机的结构刚度,避免共振的发生,同时满足轻量化的需求,对其车架进行多目标多水平拓扑优化。首先建立小型甘蔗收获机车架的三维模型与有限元模型,通过模态试验验证有限元模态的准确性。其次对车架进行静力学分析,并分别以最小柔度和最大动态刚度为目标进行拓扑优化,对优化的模型进行筛选后,再通过静力学分析校验优化结构的安全性。最后,根据优化后的模型加工出实物并进行动态性能测试。通过传递函数测试与振动试验的结果可得：以静力学为目标优化的车架,第一阶频率提高0.1 Hz、峰值频率得到略微改善,并且质量降低10.6%,各频率段的振幅均大于优化前的车架;以侧向支承梁优化的车架,第一阶频率降低0.3 Hz,质量降低21.77%,峰值频率得到轻微改善,1~3 Hz下的振幅略小于原车架;而以动力学为目标优化的车架,第一阶频率提高0.9 Hz,传递函数各项指标均降低,各频率段的振幅均小于优化前的车架,车架质量减少12%,充分达到预期目标,实现车架板梁结构的轻量化和动态特性提升。由验证模态试验得知：三种方式优化后的车架,各阶频率均避开发动机激励以及其他主要激励的频率范围。     

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。     

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.     

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ABAQUS的喷雾机喷杆结构拓扑优化

喷杆喷雾机在田间正常作业时,由于地面不平产生的激励会传递到喷杆上,导致喷杆的振动问题。为此,对一种喷杆结构进行了拓扑优化,从喷杆的内部材料布局出发,得到最合理的喷杆材料分布,通过优化喷杆自身的结构来改变喷杆的固有频率,使喷杆的固有频率远离激振源的共振频率区间。以材料的畸变能密度为优化目标,在ABAQUS软件中采用变密度法对初始喷杆结构进行了结构拓扑优化设计,并对优化前后喷杆结构的动力学特性进行了比较,验证了此次拓扑优化的合理性。结果表明:在该喷雾机喷杆的质量减少16.3%的情况下,喷杆的1阶固有频率增加了9.56Hz,有效避开了激振源的频率区间,减轻了喷杆的振动。本文可为喷雾机喷杆的动力学特性研究与结构优化提供理论依据。     

考虑静动态性能的机床床身拓扑优化设计方法

以某型立式加工中心机床床身为研究对象,基于有限元方法,以床身结构的前3阶特征频率和静刚度之和为优化目标,对机床床身进行拓扑优化,得到新的床身结构。研究结果表明:通过拓扑优化得出的机床床身结构较原型床身,在床身质量略有下降的情况下,最大变形量与床身前3阶特征频率均有显著提升,验证了拓扑优化方法运用在床身结构设计中的可行性。     

基于骨骼重建机理的连续体结构仿生拓扑优化方法

骨重建是一种持续进行的新骨替代旧骨的过程,它通过具有骨吸收能力的破骨细胞和具有骨成形能力的成骨细胞来实现。在陆地脊椎动物中这两种细胞活动是严格平衡的,并且骨的拓扑形状是适应局部力学环境的。本文以Turing反应-扩散模型为基础,通过骨成形与骨吸收机理耦合建立了骨重建模型。该模型通过有限元方法和像素单元的添加和删除准则提出了连续体结构仿生拓扑优化计算方法,该方法将结构看成生长的骨骼,将寻找最优拓扑的过程比拟为骨骼的重建过程,应变能密度的均匀分布作为优化准则更新材料分布,直至达到一个平衡状态,并由此获得最优拓扑结构。最后通过典型的算例验证了所提方法的可行性和有效性。     

阻尼间隙可调式磁流变阻尼器设计与动力性能实验

针对磁流变阻尼器存在由于阻尼间隙固定、长度小等导致的阻尼力较小、动力性能单一及适应性不强等不足,提出并设计一种阻尼间隙可调式磁流变阻尼器.该阻尼器液流通道由圆锥和圆环形液流通道共同组成,其有效阻尼长度可增加到4段.同时通过调整紧锁螺母控制阀芯位置,改变阀芯与左右磁轭的相对位置,可实现圆锥液流通道阻尼间隙连续可调.对所提...     

基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法

随着并联机构从单一尺寸设计和拓扑设计向两者融合方向不断发展,基于拓扑叠加-再惩罚和全变量正交设计-再拓扑的同步设计方法得到广泛应用,但两者存在设计效率低等不足。为解决上述问题,本文提出了一种基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法,该方法拓扑优化时以相同质量保留此条件下尺寸参数小范围变化对拓扑结构微弱影响为切入点,通过拓扑结构参数化缩放和刚度-质量元模型构建,形成并联机构尺寸-拓扑同步高效设计流程。以典型3-P-RS并联机构为例开展算例验证与对比分析,结果表明,相同质量条件下,所提设计方法比尺寸设计方法得到的各向刚度更高,即拓扑优化使RS连杆的材料分布更加合理。     

考虑机床动态性能的床身元结构二次优化方法

通常在机床零件的拓扑结构形式确定以后,单纯的尺寸优化往往难以取得较好的效果。以某卧式加工中心的床身结构为研究对象,提出了一种在元结构优化分析的基础上对结构整体进行二次优化的方法。首先根据床身结构特点提取其元结构进行优化分析,按优化得到的圆形与椭圆形出砂孔尺寸参数对床身结构进行重新设计。然后采用响应面优化方法,将元结构分析的尺寸参数在床身整体结构中进行进一步优化研究。分析表明,在结构质量变化极小的前提下,单纯的元结构优化设计的床身能够改善结构单件及整机的动态性能,但改善幅度较小;而床身整体结构二次优化后其基频提高的幅度约是前者提高幅度的3倍,同时使得整机参考点在X方向的最大响应幅值降低55.2%,Y方向降低83.9%,Z方向降低82.8%。     

基于作物空间信息特征的灌区种植结构优化研究

针对目前北方许多大型灌区种植结构不合理、农业需水量偏大、水资源紧缺等问题,提出了一种基于作物空间信息特征的种植结构优化方法,通过调整种植结构和优化空间分布,减少农业需水量,提高农业效益。利用地统计学(GS)和地理信息系统(GIS)的空间处理能力,分区计算了灌区多年平均参考作物需水量(ET0)和作物需水量(ETc),并统计分区内作物单产和产值信息;构建了基于作物空间信息特征的多目标优化模型,设计了2种作物种植结构方案。结果表明,与传统多目标种植结构优化模型相比,基于作物空间信息特征的种植结构优化方法在节水效果和农业效益上都有一定的优势。