杜海珍[1]2004年在《汽车典型结构拓扑优化方法及应用研究》文中认为结构拓扑优化设计方法是近几年发展起来的新方法,并取得了瞩目的进展。本文针对汽车典型结构的优化设计问题,首先,研究和分析了国内外在结构渐进优化法方面的发展状况。 其次,为了解决在删除无效材料时可能导致的应力集中问题,基于围绕结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的思路,提出了一种新的基于应力及其灵敏度的优化准则。并通过对应力灵敏度数的修改,避免了优化过程中棋盘格模式的产生。然后,结合基于人工材料的结构渐进优化(ESO)方法,构建了基于应变能的双方向结构渐进优化(BESO)方法的优化准则及算法。研究了考虑多约束的BESO方法。最后,导出了弯曲板结构的应力灵敏度数的计算公式,建立了双层单元的结构优化模型,开展了加筋结构的优化设计工作。 本文对上述方法进行了编程及大量汽车构件的仿真计算。结果表明了本文研究的方法是正确和有效的,可为汽车结构及零部件轻量化设计提供重要的设计方法和手段,具有较好的工程应用价值。
黄琳[2]2007年在《起重机伸缩臂结构优化研究》文中研究指明中国经济不断发展对装备制造业技术创新与结构升级提出了迫切要求。随着起重机逐渐地向大吨位和大起升高度方向发展，起重机结构优化设计研究日益受到国内外学者及相关企业广泛关注。本文应用结构初级分析和基于拓扑优化、尺寸优化的组合优化分析方法对起重机的伸缩臂金属结构进行优化设计，同时开发可视化软件系统实现伸缩臂结构的集成设计。本文主要研究内容有：以QY50t型汽车起重机臂架为研究对象，建立臂架的力学模型及拓扑优化数学模型，讨论拓扑优化设置参数，并应用Hypermesh和Optistruct软件对起重机臂架进行拓扑优化设计，求出拓扑图形，并按照其规律为设计者提出合理性建议。利用ANSYS有限元分析软件的APDL语言进行二次开发，完成臂架参数化建模，并对其截面尺寸进行优化，分析臂架不同截面参数对臂架的刚度、强度及稳定性影响程度，从而确定影响臂架结构整体性能的主要因素和相对次要因素。具体以臂架的刚度、强度及稳定性作为性能指标，对伸缩臂结构模型进行性能参数优化，得出不同条件下的最优截面形式。基于Visual Basic语言编制臂架截面优化设计的可视化软件，并通过MATLAB软件和ANSYS的后台调用，为用户提供解析计算、有限元分析和优化叁位一体的设计流程，大大减少了设计人员的工作量，缩短了设计周期。并通过试验结果与仿真结果的比较，检验臂架结构设计的合理性与可靠性。本文实现了起重机伸缩臂结构的组合优化设计并编制了可视化软件，提出了一种基于多种软件的优化方法，通过算例及试验结果的研究表明该方法对起重机伸缩臂结构性能的提高，起到了很大的作用，并具有广泛的应用前景。
邢晓娟[3]2008年在《基于数学规划求解的拓扑优化方法及其应用研究》文中研究说明本文主要研究了基于数学规划求解的结构拓扑优化方法,给出了涉及频率约束以及频率和位移约束的结构拓扑优化方法实现算法和程序,并完成了大量数值仿真计算。基于ICM(独立、连续、映射)方法和渐进结构优化方法的思路,本文提出了一种变位移约束限的结构拓扑优化方法。在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,以渐进的方式形成和引进当前一轮迭代循环的新的约束限。另外建立了单元删除和增添阈值和几轮迭代循环的单元删除策略。结合拉格朗日乘子法,改进了子循环迭代中连续拓扑变量的求解方法,并建立了一套有效结构信息到结构最大设计域信息的映射转换方法,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法。而后,提出了基于数学规划的仅考虑频率约束以及考虑位移和频率约束的重量最小的拓扑优化方法。对上述方法进行了编程及大量典型结构的仿真计算,并完成了车架等构件模拟设计。算例结果表明了本文提出的方法是正确和有效的,并显示本文方法具有较好的工程应用前景。
赵永辉[4]2008年在《大客车车身骨架结构拓扑优化设计》文中研究说明客车的主要承载结构是车身骨架,在保证刚度和强度的前提下减轻车身骨架的重量对整车性能的提高有着重要的意义。拓扑优化是近年来结构优化研究领域中的前沿课题和热点问题,也是结构优化中的重点和难点。本文首先论述了拓扑优化和车辆结构轻量化研究的重要性及国内外研究概况,分析了拓扑优化和车辆结构轻量化的发展趋势,探讨了国内在这方面研究与国外的差距,提出了应用拓扑优化方法对大客车车身骨架进行轻量化设计的构想。然后对结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化方法进行了理论分析;讨论了变厚度法、均匀化方法和变密度法等拓扑优化在工程中的实现方法:研究了遗传算法、优化准则法、数学规划法以及拉各朗日乘子法等拓扑优化的数学算法,并确定用变密度法进行拓扑优化。在此基础上以结构的柔度最小为目标,优化后的体积为约束,建立了基于变密度法的大客车车身骨架拓扑优化的数学模型。然后建立了大客车车身骨架的拓扑优化模型,利用HyperWorks系统对大客车车身骨架进行了拓扑优化设计。通过分析拓扑优化结果得到了一些重要的结论。在此基础上结合车身骨架的制造工艺根据可制造化处理原则对拓扑优化结果进行了可制造化处理,得到一个新的大客车车身骨架。随后对可制造化处理后的新车身骨架进行了性能分析。本文建立了新的大客车车身骨架基于全板壳单元的有限元计算模型,对该新车身骨架在弯曲工况和弯扭组合工况下进行了有限元分析,求得了两种工况下车身骨架的整体应力分布及其变形情况。最后对新车身骨架进行了模态分析。计算结果显示,新大客车车身骨架相对原车身骨架质量减少约37%,取得了较好的轻量化效果。而且在弯曲工况和弯扭组合工况下的最大应力分别相对于原车身骨架有了很大的降低,同时模态分析显示新车身骨架的模态也符合要求。从而进一步说明了拓扑优化设计的准确性、可靠性及现实意义。本文的研究成果不仅可以为企业的产品设计、改造和优化提供实际的参考和指导,解决企业的实际问题,更重要的是说明了如何利用拓扑优化方法对典型大客车车身骨架进行轻量化设计,同时对其它产品轻量化设计提供了有价值的参考,具有良好的经济价值和社会效益。
王露[5]2016年在《电动汽车动力电池箱结构稳健优化设计》文中指出本文在汽车轻量化的大背景下,以某电动汽车动力电池箱为研究对象,基于有限元理论,综合运用拓扑优化和形貌优化技术,对动力电池箱结构进行了稳健优化设计,提高其动静态综合性能并且实现轻量化。主要研究内容和结论如下:首先,基于连续体结构拓扑优化方法基本理论,建立了动力电池箱有限元分析模型。分析总结了有限元建模过程中的关键技术,如模型简化、几何清理、网格划分规律及网格质量控制指标等,并针对焊接和螺栓连接等机械连接方式,对比讨论了其常用的模拟方式,最终建立了网格质量达到标准的有限元模型。其次,利用有限元分析方法对动力电池箱模态特性和静态特性进行分析。计算了电池箱的前六阶自由模态及约束模态,并对其模态特性进行了分析与评价;计算了电池箱在垂向颠簸、左转弯、右转弯、前进制动、倒车制动五种典型载荷工况下结构的应力、变形情况,并对其静态特性进行了分析与评价。然后,运用连续体结构拓扑优化方法,对动力电池箱进行确定性拓扑优化设计。针对单区域拓扑结构材料分布不理想的问题,利用多区域拓扑优化方法,提出四种分区方案,并分别进行动态、静态、多目标多区域拓扑优化。动态拓扑优化以提高结构前五阶固有频率为目标;静态拓扑优化以提高结构在五种典型载荷工况下的刚度为目标;动静态多目标拓扑优化以同时提高结构刚度和固有频率为目标,实现同时改善结构动静态性能的目的。最后,对动力电池箱进行稳健优化设计。提出了基于稀疏网格技术的稳健优化设计方法,并在概率论的基础上,将稳健设计问题的目标函数处理成目标性能均值与标准差的线性加权组合。针对叁种精度等级情况,对电池箱进行了稳健拓扑优化计算,同时应用形貌优化技术,综合考虑加工工艺性要求,提出了两种加强筋布置方案,并重构模型,通过与动力电池箱原始结构进行动、静态性能对比,结果表明两种新结构在提高电池箱动、静态性能的同时实现了轻量化,减重达7~10%。
王赢利[6]2012年在《新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计》文中研究说明与传统燃油汽车相比,新能源汽车以其能效高、污染物排放少等优势重新成为世界各国研究开发的热点。目前,一些新能源汽车仍然沿用传统内燃机汽车的车身结构,仅对动力系统进行置换。事实上,由于新能源汽车利用电机作为动力驱动部件,取代了发动机,还增加了蓄电池,必然引起车身载荷的变化,导致了其在结构设计上与燃油汽车存在很大的差别,这就对车身结构设计提出了新的要求。另一方面,动力系统的简化使得汽车车身结构轻量化有了更大的发挥空间。因此设计与新能源汽车动力系统相匹配的车身结构并实现车身的轻量化,成为新能源汽车设计开发中值得研究的重要方面。结构拓扑优化技术为上述设想的实现提供了可能。本文的工作是根据新能源汽车的特点对其进行整车拓扑优化和尺寸优化,基于SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)变密度结构拓扑优化方法,建立了新能源汽车白车身拓扑优化长方体数学模型,并预留动力系统和乘员空间,分析了白车身结构柔度的设计灵敏度,并采用灵敏度过滤技术处理优化问题求解过程中可能出现的数值不稳定问题。在考虑体积约束的条件下,以柔度或应变能最小化为目标,根据对新能源汽车的车身载荷分析,对其白车身结构在静载荷、弯扭载荷相结合工况下利用加权应变能分别进行结构拓扑优化,得到新能源汽车最优拓扑结构。通过建立基于拓扑优化结果的白车身线框模型对其进行尺寸优化,使其满足弯曲刚度和扭转刚度并对其验证。拓扑优化算例结果证明,应用变密度法的拓扑优化方法在不设定定义域的情况下能够得到工程应用中具有实用价值的新能源汽车整车白车身最优结构,在满足车身结构弯曲扭转刚度要求的同时实现车身轻量化。
刘杨[7]2007年在《电动观光车车架结构分析及优化设计》文中认为拓扑优化方法是一种高层次的结构优化设计方法,其具有较大的设计自由度和较广阔的设计空间,被认为是结构优化领域中更为复杂、困难和更具挑战性的课题。拓扑优化方法及相关软件在结构设计中体现出来的智能优化功能对汽车设计起到了非常大的作用。但是这种方法的应用还不够成熟,需要做许多的研究工作。本文主要研究了拓扑优化设计方法的理论及其相关软件在汽车工业设计中的应用,并对一款电动车车架进行了拓扑优化设计。本文分五章,主要内容包括叁部分,第一部分,介绍了拓扑优化方法的基础理论及相关软件OptiStruct的功能和在结构设计中的应用;第二部分,研究了如何对电动车车架进行计算,并且使用了比往常更精确的方法计算了观光车车架结构的强度和刚度;最后,针对计算发现的车架设计问题提出了优化设计目标,用变密度法对车架进行拓扑优化计算,最终达到了预期的优化目标。
李好[8]2016年在《改进的参数化水平集拓扑优化方法与应用研究》文中认为结构拓扑优化是指在给定的设计空间内,寻找满足约束条件并使结构某项或多项性能达到最优的优化设计方法。结构拓扑优化应用领域涵盖了航空航天、汽车工业、生物工程、材料工程、土木水利以及能源工业等,其不仅可以提高结构性能,减轻结构重量,缩短研发周期,还可以应用于传统设计方式无法解决的复杂结构的创新性设计问题。随着计算机技术、有限元方法和力学理论的迅速发展,结构拓扑优化方法得到了一定的发展。基于水平集的拓扑优化方法与传统拓扑优化方法相比,能够实现拓扑和形状的同时优化,且设计结果具有光滑的结构边界和清晰的几何信息,因此得到了广泛的关注和研究。然而传统水平集方法存在的一些缺陷,影响其进一步应用与发展。本文针对传统水平集方法存在的数值计算困难,提出相应的解决措施,并将所提出的方法推广并应用到多工况结构拓扑优化、结构频率响应拓扑优化、挤压成型结构拓扑优化以及多孔材料/结构一体化拓扑优化中。首先,研究了基于参数化水平集的结构拓扑优化方法。为克服传统水平集方法的数值计算困难,提出了基于紧支径向基函数(CSRBF)和离散小波分解(DWT)的参数化水平集方法,构建了基于参数化水平集的结构刚度拓扑优化模型,开展了基于形状导数的敏度分析,设计了基于优化准则法的优化算法,实现了基于参数化水平集的结构拓扑优化设计。在所提出的方法中,紧支径向基函数用于对水平集函数进行插值,保留了传统水平集方法的优点,有效避免了直接求解复杂的Hamilton-Jacobi偏微分方程所导致的数值计算困难,离散小波分解用于压缩紧支径向基函数的插值矩阵,进一步提高了求解效率。其次,研究了参数化水平集方法在多工况结构拓扑优化中的应用。针对该问题的研究现状,结合参数化水平集方法,提出了基于归一化指数加权准则(NEWC)的多目标优化建模方法,消除了载荷病态问题,保证了在Pareto前端非凸时也能找到Pareto最优解。针对子目标权重的确定,提出了基于模糊多属性群体决策(FMAGDM)的权重计算方法,减少了主观因素的影响。首次提出了考虑扩展最优性的多工况结构拓扑优化设计,实现了各子工况下结构柔度和结构体积分数的同时优化,得到了重量更轻的结构。第叁,研究了参数化水平集方法在结构频率响应拓扑优化中的应用。针对不同类型的结构频率响应,分别提出了基于参数化水平集的结构全局和局部频率响应拓扑优化方法,保证了光滑的结构边界,并有效地提升了结构的动态性能。针对频带激励下结构频率响应的有限元分析过程,引入了多频拟静力Ritz向量(MQSRV)进行有限元模型降阶,减少了反复调用有限元分析所产生的计算成本。第四,研究了参数化水平集方法在挤压成型结构拓扑优化中的应用。以结构边界和截面两个方面为切入点,研究挤压成型结构拓扑优化技术。针对结构边界问题,采用所提出的参数化水平集方法构建了面向挤压成型工艺的结构拓扑优化模型,保证了最优拓扑结构具有完整的边界几何信息。针对相同截面的设计要求,引入了挤压成型约束,并提出了截面投影法处理挤压成型约束,确保了优化设计结果的可制造性,提高了方法的优化效率。第五,研究了参数化水平集方法在多孔材料/结构一体化拓扑优化中的应用。针对当前材料/结构一体化拓扑优化在计算效率和加工成本方面的问题,提出了一种两阶段的设计方法。在宏观结构布局优化阶段,采用SIMP材料密度插值模型,获得了结构域内的分层材料密度分布;在材料微结构拓扑优化阶段,采用参数化水平集方法描述微结构边界,获得了边界光滑且宏观等效性能各异的材料微结构构型。通过组合两阶段的优化结果,得到了具有多种功能特性的最优材料/结构。第六,将所提出的方法应用于两个实际工程案例。结果表明,所提出方法极大地简化了结构设计流程,提升了结构性能,实现了工程产品的轻量化设计,有效地支持了工程产品的结构优化设计。最后,总结了本文的研究成果及主要创新点,展望了未来的研究工作。
邓果[9]2008年在《变约束限的结构拓扑优化方法研究及桥梁构件的仿真设计》文中研究说明本文主要研究了变约束限的结构拓扑优化方法和进行了桥梁构件的仿真设计。在工程实际中,强度的满足是工程结构的基本要求,应力约束是非常重要的,不考虑它们的设计是不能付诸工程应用的。本文针对连续体结构拓扑优化设计问题,首先研究和分析了国内外在结构拓扑优化方法的发展状况。应力约束下的连续体拓扑优化,因其一个设计单元包含一个设计变量,约束数目庞大,敏度分析计算量大,优化求解复杂。因此,本文重点开展了基于应力约束的连续体结构拓扑优化模型化方法和应力灵敏度分析方法研究。通过将结构应力约束归并为几个最可能的有效应力约束和广义平均应力约束,以及采用变应力限值控制拓扑变量的变化量等措施,构建了一个等效的含应力约束的连续体结构拓扑序列优化子模型。而后导出了一套高效的应力灵敏度分析公式,极大地减少了应力灵敏度分析量。建立的单元删除阈值和几轮迭代循环的单元删除策略等措施避免了应力约束的拓扑奇异优化解现象,较好地解决了含应力约束的连续体结构拓扑优化问题。结合拉格朗日乘子法,本文先后形成了含位移和应力约束以及改进的应力和位移等多约束的新的连续体结构拓扑优化方法。对上述方法进行了编程并结合典型结构和桥梁结构的实际需要,参考桥梁结构的常规设计方法,进行了大量典型结构和桥梁结构的数值仿真设计。结果表明该方法可为典型结构和桥梁结构设计提供重要的设计方法和手段,具有较好的工程应用前景。
于多年[10]2009年在《重型商用汽车驾驶室结构与焊点布局优化研究》文中研究说明重型商用汽车在国民经济建设中起着十分重大的作用,同时对于重型商用汽车的使用者,对其制造成本、使用成本及产品性能也是十分关注的。作为汽车生产企业为满足使用者要求,提高市场竞争力纷纷投入资金、人力来提升产品性能,降低生产成本,同时对于降低使用成本也加大了力度。本文对于国内某企业开发的重型商用汽车驾驶室的结构优化与焊点布局开展了研究。在对于现有样车性能进行分析的基础上,采用拓扑优化方法对该驾驶室的外部板件与内部板件进行了优化减轻了该驾驶室的重量;对结构件截面也作了优化提升了该驾驶室的模态与刚度;对焊点布局进行了优化减少了焊点数量,从而减少了焊接工作量、降低了制造成本;对于改进的驾驶室的安全性做了验证以确保其安全可靠;最后提出了在概念设计阶段使用拓扑优化方法的新模式。通过本研究的实施,能够从根本上改变目前国内汽车行业的单纯仿制的被动局面,尽快形成自主开发能力。可以简化产品的设计开发过程,缩短产品开发周期,减少产品开发费用和成本。本研究还会对其他科技含量较高的汽车零部件的自主研发具有示范意义。
参考文献：
[1]. 汽车典型结构拓扑优化方法及应用研究[D]. 杜海珍. 长沙理工大学. 2004
[2]. 起重机伸缩臂结构优化研究[D]. 黄琳. 大连理工大学. 2007
[3]. 基于数学规划求解的拓扑优化方法及其应用研究[D]. 邢晓娟. 长沙理工大学. 2008
[4]. 大客车车身骨架结构拓扑优化设计[D]. 赵永辉. 武汉理工大学. 2008
[5]. 电动汽车动力电池箱结构稳健优化设计[D]. 王露. 北京理工大学. 2016
[6]. 新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计[D]. 王赢利. 大连理工大学. 2012
[7]. 电动观光车车架结构分析及优化设计[D]. 刘杨. 吉林大学. 2007
[8]. 改进的参数化水平集拓扑优化方法与应用研究[D]. 李好. 华中科技大学. 2016
[9]. 变约束限的结构拓扑优化方法研究及桥梁构件的仿真设计[D]. 邓果. 长沙理工大学. 2008
[10]. 重型商用汽车驾驶室结构与焊点布局优化研究[D]. 于多年. 吉林大学. 2009