机械结构拓扑优化及其在重型卡车平衡轴支架改进设计中的应用--《合肥工业大学》2009年硕士论文
机械结构拓扑优化及其在重型卡车平衡轴支架改进设计中的应用
【摘要】：
结构拓扑优化通过在设计域内最优排布材料而得到具有优良性能的零件,在工程设计的初始阶段具有重要意义。当前结构拓扑优化研究大多集中在平面或简单三维结构,只能解决一些初始结构简单、优化设计域规则、优化约束单一的拓扑优化问题,因此,开展复杂三维结构的拓扑优化在工程应用方面的研究具有重要价值。
本文在了解机械结构拓扑优化设计原理与方法的基础上和掌握HyperWorks软件的基础上,对基于变密度法的拓扑优化原理进行了详细研究。
平衡轴支架是重型卡车后悬架系统中重要的传力部件,某型号重卡在产品质量跟踪中曾一度发现平衡轴支架局部产生裂纹,有限元分析表明局部应力较高。本文将拓扑优化用于该车平衡轴支架的改进设计,旨在通过拓扑优化获得材料合理分配的拓扑结构形状。
本文基于HyperWorks平台,在HyperMesh中建立平衡轴支架有限元模型,在Optistruct中定义了拓扑优化的设计区域、目标函数和约束条件,进行拓扑优化迭代求解。本文通过改变初始设计区域和约束条件进行了三种设计方案的优化计算,通过比较分析结果,选择最佳设计方案。根据拓扑云图建立优化后的平衡轴支架3D模型,并进行有限元分析。结果表明:优化后的平衡轴支架最大应力大幅度减小,应力分布更加均匀,而重量却大幅度减轻,实现了轻量化,取得了显著的改进设计效果,充分说明拓扑优化是一种有效的结构优化方法,非常适用于汽车这类结构及受力复杂产品的零部件设计。
【学位授予单位】：合肥工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：U469.2;U463.33
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400-819-9993基于ANSYS的空间桁架优化研究
空间桁架结构由于具有自重轻、造价较低和施工简单等特点在工程中得到广泛应用，应用领域涉及工程机械、桥梁设计、施工支护、建筑结构以及水工渡槽、闸门支撑、输电网架等诸多方面，在工程建设中发挥着越来越重要的作用。对空间桁架结构进行优化设计，能够使结构在满足一定约束条件下最大限度的节省材料、够降低成本，响应建设绿色社会的倡导，具有重要的工程实际意义和社会意义。目前对空间桁架结构的优化设计主要是拓扑优化和尺寸优化。其中尺寸优化理论和实际应用都已趋于完善和成熟；拓扑优化又称轮廓优化或广义的形状优化，有离散体拓扑优化和连续体拓扑优化两种方法。现有的空间桁架结构的拓扑优化采用的是一种离散体的拓扑优化方法，即凭借先验知识首先确定各杆件的节距，然后利用拓扑优化方法确定各杆件的有无。连续体的拓扑优化能够在已知边界和载荷条件下确定最佳形状设计方案，在结构设计初始阶段具有重大的理论意义。均匀化方法是一种成熟的连续体拓扑优化方法，ANSYS软件的拓扑优化模块&
(本文共73页)
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0引言桁架结构优化设计常用的基结构法[1-2]以虚拟的初始基结构入手,通过改变杆件结点位置、拓扑连接情况和截面尺寸实现桁架结构的拓扑和布局优化,其最优解是基结构的一个子集,因此合理的结构形式是整个结构优化的基础。AZID等[3]基于遗传算法,提出桁架基结构的自动形成机制,避免传统的基结构法中存在的缺陷;姜冬菊等[4]智能生成形式多样、合理的基结构代替传统优化模型中单一基结构。此类问题的研究大多是针对二维平面桁架的。在特定的载荷和约束条件下,对于三维空间桁架,很难采用定量的方法来描述其结构形式,因此该类研究较少。本文在已知三维设计空间大小和约束载荷的条件下,基于连续体拓扑优化方法建立优化模型,以多工况下静态刚度和动态固有频率为目标函数,获得结构材料在设计空间的分布形式和传力路径,构造空间桁架的结构构型,并以此为基础进行详细设计。1优化理论1.1连续体拓扑优化连续体拓扑优化主要针对平面、板壳、实体等结构,在满足一定的边界载荷条件下,...&
(本文共5页)
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随着当代社会科学技术的快速发展,越来越多的大型化、复杂化结构被应用到实际工程中,工程中常需要对这些结构进行健康监测和安全评估,在对结构进行监测和损伤识别时,必须建立一个可参照的有限元模型[1]。然而在实际工程中,由于环境、材料、人为因素等的影响,且施工本身具有不确定性,理论计算的模型和工程实际中测量的数据会有一定误差[2]。因此在建立有限元模型后,需对建立的初始基准模型进行修正,以减少这些不确定性因素的影响。基于工程实际的需求,国内外研究学者们对模型修正方法已进行了广泛而深入的研究,积累了大量的经验并取得了一定的成果。张家弟[3]基于静力测量数据,提出并发展了基于不完整、精确观测条件的结构损伤识别理论和方法;张林林[4]研究了基于静力测量数据的梁式结构的模型修正方法;周涵宇[5]研究了静力模型修正在混凝土桥梁评定中的应用;邓苗毅[6]等则研究了结构静力模型修正中目标函数的构造分析。该文以空间桁架结构为研究对象,基于静力实测数据,...&
(本文共4页)
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大型空间桁架结构的特点是尺寸比较大、质量比较轻、结构阻尼比较弱,在实际工作过程中容易产生无法自行衰减的挠性振动,从而影响航天器的正常工作,所以对其挠性振动进行抑制就显得尤为重要。本文的主要研究内容是,针对大型空间桁架结构产生的挠性振动,基于有限元方法进行仿真分析,采用主动控制的方法对其进行抑制。本文首先介绍了课题的研究背景,并对大型空间桁架结构挠性振动的动力学原理进行了分析;分析了航天器挠性结构振动抑制的研究现状,对各种振动抑制方法进行了对比分析;确定了将采用主动控制方法来抑制大型空间桁架结构在工作中产生的挠性振动。然后,本文针对课题的技术要求给出了相应的系统总体设计方案。在给出的总体设计方案基础上,本文对大型空间桁架结构的振动控制进行了仿真研究。首先对桁架结构的简化模型进行主动控制方法研究;然后将所选控制方案应用到实际桁架结构模型上,验证了本文所选控制方案可行性。在仿真分析过程中,针对控制结果中存在的不足之处,对控制方案进行了...&
(本文共65页)
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0引言近年来,大型化、低刚度、柔性化是各卫星天线结构发展的重要趋势,然而该类柔性结构具有模态阻尼小等特性,当在太空运行受到外界激励时,若不采取措施对其振动进行抑制,则振动将会持续很久,造成定向精度、姿态稳定等问题,严重时可能导致结构受到破坏,降低结构使用寿命[1-2]。由于压电陶瓷材料具有刚度高、频带宽、高转换率、质量轻等特点,在桁架结构中常被用于制作传感器和作动器。郑凯等人设计了采用压电堆作动器的压电主动构件[3];曹玉岩等人根据有限元理论和Hamilton原理建立了平面智能桁架结构动力学模型,并根据线性二次型最优控制理论建立了最优振动控制模型[4];陈文英等人基于Lyapunov综合法设计了一种稳定的直接型自适应模糊主动振动控制器并在一平面16杆智能桁架结构进行了仿真验证[5];Marinaki等人研究了应用PSO算法优化的模糊控制器进行梁的振动控制[6];Sun研究了挠性航天器的模糊预测振动[7];Zhu等人研究了采用滑模...&
(本文共5页)
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一、引富 空闻桁架结构属于一种理想的杆系力学模型,目前工程上应用的空间网架结构、网壳结构及铁塔结构都可用这一模型来分析。 要跟踪网架或铁塔结构的外力与位移关系全过程,必须考虑结构的几何非线性和材料非线性。非线性分析一般有切线刚度法和割线刚度法两种。现有的切线剐度法[1.2]是根据有限元理论在修正的Lagrange坐标系下建立的增量分析法。由于其推导使用了形函数,压杆弯曲变形引起弦长的非线性缩短效应被排除,属于严格孵杆端大侧移、杆端小转角理论。一般来说,修正的Lagrange法不是严格的Euler法【3]。本文根据运动的Euler坐标描述法,不附任何假定导出了杆单元的切线刚度矩阵。该模型反映了弯曲变形引起弦长变化的效应。属于精确的杆端大侧移、杆端大转角理论。28■图1 P.艿引起的弯矩』 盟¨笼烈斟㈤ 饿m冀蹦搿n’[:兰:兰]{塞::}+{::}△u={主麓:}={:}AN刮uAU+{垭“3’医} =t。。△【,一,t。: t。...&
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应用类桁架模型的连续体拓扑优化方法
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华 侨 大 学 学 报 （自然 科 学 版 ）
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．３
２０１４ ５
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕａｉａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ
Ｍａ ２０１４
文章编号：
１０００?５０１３２０１４０３?０３２７?０５
犱狅犻１０．１１８３０ＩＳＳＮ．１０００?５０１３．２０１４．０３．０３２７
应用类桁架模型的连续体拓扑优化方法
郑伟伟，周克民
（华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 ３６１０２１）
摘要： 为了避免棋盘格、单元铰接等数值不稳定现象，研究了基于类桁架模型的连续体拓扑优化方法 将单
元节点处材料密度的大小和方向作为设计变量，采用满应力优化准则对材料密度大小进行优化 为了形成带
孔洞的匀质连续体，对设计变量增加了上下限约束，剔除密度低于一定下限的节点，限制节点密度 算例结果
表明：不需要进一步处理，就能从类桁架连续体中获得清晰的带孔板．
关键词： 结构优化；拓扑优化；类桁架材料；应力约束；平面连续体
中图分类号： ＴＵ３１１．４
文献标志码： Ａ
结构拓扑优化的研究包括均匀化方法 、演化优化算法 、水平集方法 、
法 等 为了获得
清晰的结构，抑制中间密度单元，这会引起了数值不稳定现象，如棋盘格现象 ，需要格外的技术解决这
个问题 ? ．Ｍｉｃｈｅｌｌ 揭示了拓扑优化结构是非均匀质各向异性类桁架连续体，即由无限密的杆件构
［１０１１］
成，这一特性启发了从类桁架连续体中获取最优拓扑的想法 ? ．工程中更多地使用带孔等
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周一至周五
9：00&22：00
试论基于ANSYS的空间桁架结构拓扑优化设计
　　摘要：随着大跨度的建筑结构设计形式应用越来越广泛，空间结构的设计方式在不断的实践中得到了很大的发展。由于空间桁架结构在应用中具有多种优良特点，如质轻、刚性大、成本较低，更重要的是施工较为简便，因而在现代社会发展中的多项工程中都有着极为广泛的应用，包括航空航天、公路桥梁、水利工程、工业机械等多个领域。而在实际的工程应用中，如果能够对空间桁架结构进行进一步的优化设计，就能够更好的实现大跨度空间结构的效果，并且也可以节省施工材料和成本，实现经济节能的建筑设计方案。本文中，笔者就以基于ANSYS的拓扑优化的方式来对空间桁架结构设计的优化进行探讨。 中国论文网 /8/view-4157929.htm　　关键词：ANSYS软件；空间桁架结构；拓扑优化；设计方案 　　就目前的建筑技术而言，空间桁架结构的优化设计一般都是采用拓扑优化或者采用尺寸优化。本文中主要论述了采用拓扑优化的设计方法，。所谓拓扑优化，也可以称之为轮廓优化，再往广义范围里讲，也可以称之为形状优化。拓扑优化大概可以分为离散体与连续体两种形式，但在实际的使用中，一般都是采用离散体的拓扑优化方法。这种优化方法表现在现代建筑的空间桁架结构中，主要是通过相关测量和调查，以掌握每个杆件之间的距离大小，然后再使用通过拓扑优化的方法来确认是否有杆件的存在。而对于连续体的方法来讲，现有的技术水平已经能够通过一定的软件技术来分析边界等基础信息，以得出最优的设计方案，这种技术的发展对于空间桁架结构的初期设计有着重大的意义。以下本文就以连续体的拓扑优化方式，通过采用ANSYS软件来对空间桁架结构的设计进行优化处理。 　　1、分析空间桁架结构拓扑优化设计的意义 　　空间桁架结构作为大跨度建筑结构设计中较常采用的结构形式，其具有材质轻、施工简便以及通透性好等特点，在体育馆、海洋馆等有着大跨度要求的建筑结构中有着广泛的应用，因此提高其结构设计水平、优化结构设计方法对于保证空间桁架结构的施工质量，提高桁架结构的稳定性与安全性来讲都有着很重要的意义。而在对空间桁架结构设计进行优化时，常常采用ANSYS软件来对结构进行有限元分析和计算，通过ANSYS软件的强大计算功能来实现设计最优化的目的。所谓实现设计最优化，就是指在确保结构的安全的前提下，尽可能的减少材料的使用量，降低工程成本。以达到最经济合理的设计方案。这对于实现节能建筑理念和可持续发展理念在空间桁架结构中的有效运用是有着关键作用的。因此，对空间桁架结构的设计进行拓扑优化处理是非常有必要的。 　　2、建立空间桁架结构拓扑优化设计模型 　　ANSYS拓扑优化功能可以用于求得最优结构，以获得最大刚度、最小体积或最大自振频率。拓扑优化的原理是在满足结构体积减小量的条件下使结构的柔度极小化，极小化的结构柔度实际就是要求结构的刚度最大化，优化过程是通过自动改变设计变量，即单元伪密度来实现的。单元伪密度为O的材料为可以删除的部分，单元伪密度为1的材料为保留的部分。 　　ANSYS拓扑优化功能，模型中只能有下列单元类型：二维平面单元PLANE2和PLANE82，用于平面应力或轴对称问题；三维块单元SOuD92和SOLID95；壳单元SHELL93。 　　而在本文研究中的空间桁架结构总体尺寸较大，为5.8 m×5.8 m×25 m，且作用力都集中在结构的外表面。若采用三维实体单元，尽管建模简单，但计算量大且对机器配置要求高，故采用壳单元SHELL93。 　　ANSYS程序只对单元类型编号等于1的单元网格进行拓扑优化，对于单元类型编号等于或大于2的单元网格部分不进行拓扑优化。所以，在划分模型网格时，必须确保拓扑优化的区域的单元类型编号为l。 　　优化模型根据与其连接部分结构尺寸条件建立，臂架结构顶部采用板结构焊接形式，本文将确定其为非优化区域，板厚为20 mm，优化区域是由3个面组成的空间三维连续体结构，板厚为30 mm。结构顶部前端垂直载荷40 t，结构仰角：8l度。 　　3、空间桁架结构的拓扑优化及其优化结果 　　在建立了相应的优化模型之后，我们对臂架底部铰接的空间桁架结构设计方案，通过线性结构静力分析的手段对其开展了拓扑优化。现将拓扑优化的具体过程以及结果分析分别描述如下，以供参考。 　　3.1空间桁架结构的拓扑优化过程 　　ANSYS程序提供了1个专门用于预定义总体积的拓扑函数，即VOLUME，它既可作为目标函数，也可以用于约束条件。本文定义目标函数为MCOMP，VOLUME减少60%为约束条件，定义目标函数和约束条件的命令流如下： 　　… 　　TOCOMP，MCOMP，MULTIPLE，4！ 　　定义多柔度作为拓扑优化函数MCOMP 　　TOVAR，MCOMP，OBJ ！ 　　定义柔度函数MCOMP作为拓扑优化目标 　　TOVAR，VOLUME，CON，60 ！ 　　总体积VOLUME减少60% 　　TODEF，O，O.00l ！ 　　收敛容差为0.0001 　　TOPITER，20，l ！ 　　最多执行20次迭代 　　… 　　ANSYS程序提供2种拓扑优化方法：一是优化准则法；二是连续凸函数寻优法。前者只适用于以体积作为约束条件的问题；后者可以用于所有的目标函数和约束条件的组合问题。由于本文是把体积作为约束条件，故选择优化准则法。 　　3.2空间桁架结构的拓扑优化结果 　　在采用ANSYS软件来对空间桁架结构进行拓扑优化的过程中，我们在对其进行多次计算后比较分析，发现了在拓扑优化的过程中可以得出下述几点结论： 　　首先，可以从多次反复计算中看出，空间结构桁架的板厚大小并不构成对拓扑优化实施的影响，因此可以不必考虑板厚这一因素对结构设计的影响。 　　其次，我们在利用ANSYS对结构进行拓扑优化时，并未全面考虑到结构中所使用杆件的长度、细度等问题，因此在其他的结构设计优化中，若要顾及美观、或者顾及杆件的长细比、或者顾及到杆件的制造工艺需求等多方面因素时，可以相对调整优化结果，使杆件的布置有所变动来满足设计需求。 　　第三，ANSYS进行多工况加权求和时，加权系数可以用自己预先定义的数组，也可以取加权系数均为工况总数的倒数，本文取4种工况加权系数均为0.25并且加大侧载，优化出能承受侧向弯矩的腹杆结构。 　　第四，在得到的拓扑优化结果基础上，利用APDL命令提取和输出节点的坐标，得出各节杆的节距，可以实现在满足一定强度条件下杆的截面尺寸优化。 　　4、结束语 　　在空间桁架结构的拓扑优化设计中，利用ANSYS软件的拓扑优化功能，建立三维连续体的优化模型，得到多工况下空间桁架的最优拓扑结构。通过拓扑优化分析，在满足强度条件的基础上，确定了空间桁架的节距，为空间桁架杆件的尺寸优化提供概念设计。不过在实际的构造空间桁架过程中还要考虑杆的稳定性和制作的工艺性。可以根据杆件的载荷和柔度在拓扑优化结果的基础上设计各杆件。总体来讲，使用拓扑优化方法来对空间桁架结构进行设计还是具有很大的发展意义的，对于促进我国现代建筑结构、尤其是对于空间网架结构等大跨度的建筑结构设计水平的提高，基于ANSYS软件的拓扑优化方法是一个重要且具有里程碑意义的现代建筑工程设计技术方法，并且是很值得进一步发展并大力推广和应用的。
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