连续体结构拓扑优化探讨与应用

以连续体结构为研究对象,对拓扑优化的插值方法、求解算法等进行了简单的探讨,将变密度法和优化准则法成功的应用到连续体结构的拓扑优化设计中.应用变密度法建立结构的拓扑优化数学模型减少了设计变量的数量;采用最优化准则法进行求解提高了计算效率.最后计算并讨论了双工况梁和MBB梁的拓扑结构模拟,取得了较理想的拓扑结果,达到了增强刚度、减轻结构质量的目的.     

XT型减振器座的拓扑优化实践

为改善XT型减振器座的承载效果,利用拓扑优化方法辅助进行了结构设计.介绍了拓扑优化的基本理论,对减振器座的拓扑优化的过程进行了较为详细的描述.在考虑XT型减振器座的空间限制及材料受力约束的前提下,以Hyperworks为工具合理定义拓扑优化的求解条件,应用变密度法得到了满足设计需要的有效结构,相比初始设计方案结构受力分布状态大大改善.优化结果表明:拓扑优化设计能够提高材料的使用率,降低生产成本,减轻结构自重,在今后的机械设计中将成为一种主要的设计方法.     

货车枕簧在随机荷载作用下的疲劳寿命估算

通过转８Ａ型转向架摇枕与枕簧间的力学模型分析和摇枕的已知载荷谱，确定出了枕簧的载荷谱，并以此做为载荷依据对该型弹簧的随机疲劳寿命进行了估算，所得结论可供有关部门参考使用。     

长大平车车体结构的拓扑优化设计

在对长大平车车体进行静强度和疲劳强度分析的基础上,分析关键部位的位移和应力指标对车体结构板材厚度的灵敏度,并基于灵敏度信息确定主要板材结构的拓扑优化模型,利用优化求解器进行拓扑优化.基于拓扑优化结果,给出车体结构的新设计方案并校核其静强度及疲劳强度.新设计方案在保证车体强度的同时,使车体减重1.3 t,较好地实现了车体轻量化的目的.优化结果为长大平车车体结构的创新设计提供了有价值的参考.     

多工况载荷下机车排障器拓扑和尺寸优化设计

为优化某内燃机车排障器的结构性能和轻量化设计,对其进行多工况载荷下的拓扑和尺寸优化设计.运用OptiStruct软件对排障器进行基于变密度法的结构拓扑优化设计,确定排障器加强肋板的分布.随后,在拓扑优化的基础上运用尺寸优化设计方法对其进行轻量化设计,并对优化后排障器的强度和质量进行分析比较.对比得出,优化后排障器在两工况下最大应力降幅明显,均超过20.00％,质量减轻9.29％,结构应力分布更加均匀、合理,轻量化效果明显,为某内燃机车排障器设计提供了可行方案.     

动载系数对160 km/h货车转向架焊接件疲劳损伤的影响

为了验证160 km/h货车转向架焊接部件的疲劳强度,依据UIC510-3标准规定的疲劳试验载荷确定方法和IIW提供的焊接接头疲劳强度S-N曲线,应用结构有限元技术及Palmgren-Miner线性累积损伤准则,对焊接构架及摇枕主结构危险焊缝接头进行了疲劳损伤数值仿真分析.结果表明:侧滚动载系数变化对疲劳损伤影响较小,浮沉动载系数变化对疲劳损伤影响显著.在对焊接构架和摇枕进行疲劳试验验证时,侧滚动载系数可直接取标准值0.22,浮沉动载系数应比标准值0.30适当增大,可初步取为0.33.     

预应力结构的最小挠度拓扑优化

传统的预应力结构设计通常采用分步方式进行,先获得不包含预应力的最优结构,再布置预应力索.这种方法获得的结构未必具有最优性能.为了获得最优的预应力结构,在结构的拓扑设计阶段考虑预应力的影响,建立优化模型.目标函数为结构特定位置的位移响应,拓扑变量为单元的密度,其中位移响应通过叠加法获得.给出了结构最佳预应力值的确定方法,并推导了目标函数的灵敏度计算方法.算例结果表明,所提出的优化模型具有有效性,所得结果明显优于传统方法的结果.     

桁架结构拓扑优化的微粒群算法

为了解决有应力和位移约束的桁架结构的拓扑优化问题,将微粒群算法用于桁架结构拓扑优化.用罚函数法将应力和位移约束下的结构优化问题转化为无约束优化问题,用微粒群算法迭代计算.为了证明此方法的可行性,给出了2个具有应力和位移约束的桁架结构拓扑优化的算例.计算结果表明,微粒群算法与现有算法获得的桁架结构拓扑优化结果一致.     

基于拓扑优化的某活塞轻量化分析

针对某发动机活塞轻量化问题,进行了该结构模型的热机耦合分析,在此基础上完成了对活塞的变密度法拓扑优化设计,并从应力、变形、体积(重量)等方面对优化前后计算结果进行了比较和总结.研究结果表明:选择相同的材料,活塞质量较优化前降低了约6.471％.优化后模型的最大形变量有所降低,应力峰值减少了16.73％,均力分布有所改善.     

基于代理模型的焊接构架纵梁优化设计

以城际动车组焊接构架纵梁为研究对象,以构架纵梁的总体积为目标函数,以应力和位移为约束对其进行了拓扑优化设计.在拓扑优化结构的基础上,基于等效结构应力法分析纵梁相关焊缝的疲劳累积损伤值,并以纵梁板厚为设计变量,考虑应力、位移和焊缝疲劳累积损伤约束,构建焊接构架纵梁的抗疲劳轻量化模型.为有效地求解该优化模型,引入基于Kriging代理模型的序贯近似优化方法,并结合多岛遗传优化算法进行求解.经过拓扑优化设计和抗疲劳尺寸优化设计,最终实现纵梁结构减重约20.6%,该工作为城际动车组转向架构架设计提供了参考.