研发一种具有金属内衬的法兰式碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)液压缸缸筒,通过复合材料的本构关系和厚壁圆筒理论推导CFRP缸筒的应力应变公式,建立数学模型,并结合强度和刚度理论,进行液压缸缸筒轻量化研究。运用Abaqus软件进行仿真分析,验证所提出方案的可行性,联合Isight软件进行优化设计,以DOE试验设计寻找最优解。结果表明优化设计后,CFRP缸筒满足强度和刚度要求;液压缸缸筒质量由16.58 kg减少到5.26 kg,总体减轻68.3%,达到轻量化设计目的。

针对传统带钢表面缺陷检测技术落后、效率不高及小目标识别能力不足等问题,提出一种改进的YOLOv5s-Tiny目标检测模型,在保持模型较小计算量的同时提升检测速度和识别精度。通过将主干网络GSP-Darknet53替换为轻量级GhostNet网络,减少模型参数的数量,提高推理速度。在主干网络加入CBAM注意力机制,通过通道注意力机制和空间注意力机制对特征信息进行融合增强,提高小目标检测精度,并将损失函数GIoU改进为EIoU,提高检测框定位能力。最后将改善后的训练模型格式转换后安装到手机安卓端验证优化的有效性。结果表明在东北大学数据集中,改进后模型检测精度提高1.5%的同时,召回率提升了1.5%,参数量减少12.3%;安卓端检测速度约为120 ms,完成带钢缺陷的实时检测。

基于矿物质直驱车铣复合中心的立柱大多为实心结构,存在材料消耗大、整体偏重、制造成本高等问题,以CXK80型矿物质立柱为原型,对其开展动静态性能和热传导分析,把减轻矿物质立柱的质量、提高强度和刚度作为优化目标,运用拓扑优化和基于遗传算法的多目标尺寸优化方法对其进行减重设计。仿真结果显示矿物质立柱经优化后减重14.2%,导轨镶嵌面温度降低21%,且立柱的前2阶模态均有相应提升。为验证仿真分析的有效性,利用模态锤击的方法进行验证,实验数据和仿真数据基本一致,误差在3%以内,实现了矿物质立柱减重、节省制造成本的目标。

对一般脱轨事故的动车车辆实施顶复作业是一种常用的救援方法,对于顶复作业,液压起复机具是技术关键,其中液压缸是主要的支撑设备。为解决铁路救援设备液压缸重量大、携带不便等问题,设计了一种双作用多级钛/铝复合液压缸。在保证液压缸安全前提下,与原有液压缸重量作对比,通过轻量化设计后对比发现钛/铝复合液压缸缸体重量从29.5 kg降至21.9 kg,减重可达25.7%,且应力分布、材料利用率、液压缸耐腐蚀性能、耐磨性等指标均优于纯钛合金液压缸。对液压缸的轻量化开发不但提升铁路救援便捷性和效率,还为液压缸设计和制造水平开拓了新视野,更符合市场需求。

介绍了精益设计的思想和特点,结合提升设备的现状,将其应用到提升设备的设计制造中,有效降低了生产制造成本,取得了显著的效果。事实表明了进行精益设计的必要性,为提升设备后续的开发提供了思路及方向。

重卡车架的轻量化对于节能减排、提高产品市场竞争力等方面有着直接的影响。铝合金材料在重卡车架的应用对于重卡减重有着显著的效果。以目前量产车型车架为基础,结合CAE有限元仿真分析手段,重点关注车架强度、刚度性能,以铝合金车架代替原钢制车架,从而以材料替换及结构优化的手段,实现车架轻量化的目标。根据仿真分析结果,车架主体纵梁及横梁替换为铝合金材料后,在考虑成型工艺及连接工艺的前提下,车架整体强度、刚度性能达到钢制车架水平,方案可行,轻量化效果显著。

首先利用UG三维建模软件建立氢燃料电池车架原始CAD模型,之后将CAD模型导入Hypermesh中,并对氢燃料电池车身有限元模型进行分析优化。基于静强度分析结果,对整车车身结构进行参数优化的轻量化设计,利用Hyperworks中的Optistruct模块进行拓补优化,将拓补优化得到的结果与优化前相比较,进一步减轻汽车车身质量。分析仿真实验结果表明,在保证整车各方面性能要求的前提下,可以达到整车车身减重4%,并能够增加车辆续驶里程,改善汽车的加速、制动等性能,为以后的车身轻量化提供理论基础。

通过采用铝合金材料代替碳钢材料,对辅助电源箱体进行轻量化设计,整体减重约15 kg。进行了静强度计算、疲劳强度计算和模态对比分析,并通过了振动冲击试验验证。有限元分析和试验验证结果表明,箱体能满足轨道车辆设备的结构要求,达到预期减重效果。

点阵结构作为一种新型轻质功能结构,具有高承载力、高强度、轻质量等一系列优异的力学性能,在航空航天、轨道交通、船舶等工程领域得到广泛应用。针对典型零件扩张调节片结构的轻量化设计问题,提出一种基于均匀化的点阵拓扑和尺寸优化方法,通过MATLAB、ABAQUS和OPTISTRCUT软件对扩张调节片结构进行点阵拓扑优化建模,为结构的轻量化设计提供理论依据。根据上述已建立的点阵拓扑优化模型,分别探究了高低密度点阵结构和最长点阵结构尺寸对其点阵拓扑优化效果的影响,并通过静力学仿真分析求解位移变形和应力云图来进一步揭示点阵拓扑优化的效果。结果表明,高密度和小尺寸点阵结构更有利于扩张调节片结构的轻量化设计。

通过Hyper Mesh建立了汽车前防撞梁及吸能盒正面碰撞模型,以防撞梁及吸能盒的截面形状、截面尺寸、材料、厚度与吸能盒诱导槽位置作为设计变量,以加速度峰值、最大吸能和最大压溃量作为约束,以质量最小作为目标,通过Isight进行DOE实验设计和优化。结果表明,优化后前防撞梁与吸能盒总质量降低了39.2%,轻量化效果显著,碰撞性能明显提升。铝合金比强度、比刚度高,耐腐蚀性好,密度是钢的1/3,是汽车轻量化的重要材料,优化结果表明,调整壁厚和截面形状的铝合金防撞梁总成结构的吸能性能最好,比原钢质件提高约6.6%,同时减重49.38%。