为实现档位互换机构壳体轻量化和减少壳体疲劳破坏的问题。将基于变密度法的结构拓扑优化技术方法应用到壳体优化中,根据各轴最大输出转矩,结合壳体强度和刚度。以壳体柔度为最小目标,体积分数为约束条件,对壳体模型进行拓扑优化分析,并对优化设计的壳体进行应力分析和模态分析设计出最优方案。仿真结果表明通过拓扑优化设计出的壳体模型的重量明显减轻,一阶模态避开了壳体的固有频率避免产生共振,在正常工况下最大应力相对优化前有所减少且低于材料屈服极限,实现壳体的拓扑优化设计。

运用OptiStruct软件,针对400km/h高速列车车体,计算其在重要载荷作用下的结构强度、刚度以及模态分析后,以列车的底架作为研究对象,对其进行拓扑优化设计。结合OptiStruct中的OSSmooth模块和SOLIDWORKS软件,总结分析不同载荷方式作用下得出的拓扑优化结果,确定车体底架结构内筋的分布,得出最佳截面形状,并对优化后的底架结构及车体进行静强度以及模态分析比较。对比得出,优化后底架结构减重6.82%,满足车体强度、刚度及模态频率等性能要求的同时,改善了结构的应力分布。

针对某型飞机前起落架质量大、收放困难等问题,利用三维软件建立了飞机前起落架的三维模型并将其导入于Adams中,建立了适应于Adams软件飞机前起落架的动力学仿真模型,然后对其进行了着陆动态仿真分析,仿真结果与实际非常吻合,并利用动力学分析得到的工况条件,基于变密度法与优化准则法对飞机前起落架扭力臂结构进行了拓扑优化设计,计算结果表明,在满足刚度与强度的条件下扭力臂质量减小了2.72kg,减小幅度为25.4%,对飞机起落架的结构优化设计具有一定的参考价值。

以TBT-ML500深孔钻床主轴箱为研究对象,考虑随机因素的影响,通过基于变密度法的可靠性拓扑优化设计方法,进行了考虑可靠性和稳定性要求的结构轻量化设计。在传统拓扑优化的基础上增加概率约束,建立了应力和位移约束下的可靠性拓扑优化模型;以可靠性指标为约束条件,使用一阶可靠性法和Roenblatt逆变换将可靠性拓扑优化问题解耦为可靠性分析和确定性拓扑优化,最后进行变密度拓扑优化。算例分析结果表明:此方法在实现轻量化的同时更好地满足了实际应用中的安全要求,同时为深孔钻床其他基础件的可靠性拓扑优化提供了参考。

提出基于连续体拓扑优化设计理论的转镜结构拓扑描述方式和材料插值模型,利用有限元理论和方法,建立转镜各向同性惩罚微结构单模态拓扑优化插值模型,对转镜的第1阶固有频率进行最大动刚度拓扑优化数值分析,并根据转镜伪密度分布图,修改原有转镜结构.通过对修改前后转镜模态进行数值分析与试验发现,转镜第1阶固有频率由原来的713.6 Hz提高到821.4 Hz,第2阶固有频率值增加48%,第3阶固有频率值增加50%,其他各阶固有频率都有明显提高.试验结果和数值解在误差范围内保持一致.

介绍了一种大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法,该方法是一种理论性强、效率高的新型轻量化优化设计方法。采用变密度法建立连续体结构拓扑优化数学模型,利用OPTISTRUCT优化软件,以主反射镜光轴垂直时在自重作用下的镜面变形与第一阶自然频率作为约束,将主反射镜体积最小作为目标函数进行了连续体拓扑优化。依据优化的拓扑结构形式,结合结构力学及灵敏度分析得到了满足镜面面型、结构刚度及轻量化率要求的最佳主反射镜轻量化结构。

屋顶排水槽板折弯机的横梁在折弯过程中承受双向载荷作用，横梁的刚性和抗振性是影响折弯机整机精度和稳定性的重要因素。首先对横梁承栽情况进行受力分析，然后建立基于变密度法的拓扑优化数学模型，增加双向载荷约束条件，采用通用性较强的优化准则法，通过卷积算子建立滤波器修改元素灵敏度以提高网格独立性，解决棋盘格和网络依赖性问题，编制相应MATIJAB优化程序进行结构拓扑优化，利用优化后的截面形状绘制三维模型，引入到ANAYS软件对拓扑结构优化结果进行静动态分析以验证优化结果，并通过LMS振动测试仪和分析系统对横梁进行模态测试试验，验证了优化与仿真的有效性和准确性，最终设计成果应用于屋顶排水槽板折弯机横梁设计，取得了很好的工程应用效果，为相似结构件优化设计提供了有益的借鉴与参考。

针对多工位级进模模具,提出了一种基于变密度法的级进模模具结构拓扑优化方法。先通过板材冲压成形有限元数值模拟得到变形板料对模具的作用力,利用自主开发的载荷映射工具构建级进模模具结构分析的力边界条件;再通过模具结构分析,明确模具结构优化的空间;最后结合拓扑优化算法对模具结构进行了优化设计。以某汽车连接器件级进模模具为例对该方法加以验证,与按传统方法设计的模具相比,优化重构后的模具在重量保持不变的情况下最大变形量减小了36.5%。对优化重构后的级进模在冲压成形过程中的应变值进行了测量,应变实测值与结构分析结果比较吻合,表明文中所提出的级进模模具结构拓扑优化方法是切实可靠的。

针对某汽车发动机支架的性能优化设计问题,基于变密度法进行拓扑优化设计。通过建立动力总成悬置系统力学模型,计算扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况的悬置载荷,并采用有限元法对发动机支架进行强度和刚度性能分析。根据分析结果,以发动机支架的单元相对密度为变量,质量分数为约束,加权柔顺度最小为目标,建立了发动机支架的多工况拓扑优化数学模型。结合零件的应力分布和加工工艺要求,在保持质量不变的条件下,根据拓扑优化结构对发动机支架进行了重构。优化前后的对比结果表明,重构的发动机支架的强度、刚度和模态性能均有了明显的改善。

自动化流水线中吊臂搬运是比较常见的一种运输形式,吊臂导轨的承重梁在运输货物时承受垂直向下且位置随时间周期性变化的重力作用,造成周期性变化的形变。此形变对整个装置的稳定性、安全性和寿命具有重大影响。对承重梁在运输货物时受力进行分析,以位置变化的动载作为约束,建立基于变密度法的拓扑优化数学模型;引入通用性强的优化准则,采用以卷积方程为基础的过滤器,消除由于棋盘格和网络依赖所造成的不确定性;借用MATLAB建立相应的数学模型进行拓扑优化,根据优化结果建立相应的三维模型,将模型导入ANAYS进行静力变形分析;将试验数据与仿真结果进行对比,验证了仿真结果的可信度和拓扑优化方法的可行性。最终设计在屋顶窗吊装搬运装置中应用效果良好,为此类承重梁结构设计提供了参考。