针对传统设计方法下地铁车钩维护工作台尺寸与重量偏大,使得材料成本增大的问题,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法,通过构建拓扑优化模型和尺寸优化模型,进行了从车钩维护工作台拓扑结构到各尺寸参数的优化过程,实现了车钩维护工作台的轻量化设计。在轻量化设计过程中,通过结构的拓扑优化设计得到了材料在设计空间内的最佳分布,在此基础上提取车钩维护工作台拓扑结构,并通过相对灵敏度分析,筛选出对车钩维护工作台质量降低敏感但对性能降低不敏感的设计变量,最后以筛选出的6个变量作为设计变量进行尺寸优化设计。结果表明优化后的车钩维护工作台强度有所提高,刚度满足设计要求,并且实现减重49.28kg,减重率为30.73%,轻量化效果显著。

为了在减轻地铁车辆拖车轮对运输工装重量的同时,提高优化设计的可靠性与稳健性,在轻量化设计中充分考虑尺寸参数的不确定性信息,通过引入6稳健设计理念,将响应面法、轻量化设计、6质量管理、可靠性设计、稳健设计、蒙特卡罗模拟技术相结合,构造了基于6稳健性的地铁车辆拖车轮对运输工装轻量化设计新方法。结果表明,优化后的工装强度和刚度满足设计要求,重量减少了112.3kg,减重率达49.3%,轻量化效果显著;且与传统的确定性轻量化设计相比,该方法不仅增强了工装的强度和刚度,而且提高了优化设计的可靠性、强度与刚度的稳健性以及重量的一致性,验证了该方法的有效性。

为了降低重量,减少成本,提高市场竞争力,基于响应面法对某型具有弯曲导轨的连续式升降机进料滚筒线支架进行了轻量化设计。采用中心复合试验设计方法进行样本点的采集,利用有限元数值模拟技术获取样本点的响应值。根据所得数据,构建了支架质量和最大等效应力的二阶多项式响应面模型,并进行了精度检验,验证了所构建响应面模型的精确性。以支架质量为目标,强度为约束,基于所构建的响应面模型,建立了支架轻量化设计数学模型,采用序列二次规划算法进行求解,并对优化结果进行了仿真验证。结果表明,优化后的支架强度满足要求,质量减少了11.7kg,减重率达42.5%,轻量化效果显著。

针对柔性微夹持器中柔性铰链在工作中受到交变应力作用导致屈曲的问题,以圆形切口柔性铰链为例,对其施加载荷后进行受力分析,推导出临界力的计算公式。通过Ansys Workbench17.0对铰链进行有限元屈曲分析,取第一阶屈曲模态,与利用推导公式得到的临界力进行对比,误差为0.23%,验证了公式的准确性。引入正交试验设计,找出影响临界力的可控因子和噪声因子并对其进行正交试验设计。采用权重分析法,定量分析参数对临界力的影响程度。研究结果表明各个参数对临界力变化的作用所占的权重不一样,为铰链设计提供了理论基础。

3-RRR柔顺并联微动平台多响应优化设计中存在各种因子影响和交互影响的情况,导致柔度不稳定。为解决此难题,将聚类分析法和响应曲面法相结合,提出一种优化该机构柔度稳健性的新的设计方法。通过建立微动平台多方向的铰链柔度运动模型,进行试验设计和聚类分析;引入响应曲面法构建响应曲面模型并且利用粒子群算法寻优求解;通过信噪比指标评判结果,得到满足约束条件的稳健优化设计方案。实例表明:引入的聚类分析方法可以为柔性铰链多目标稳健优化设计提供一种新的解决方法且效果良好。

为了解决稳健优化过程中柔顺机构多响应特性难以合理客观赋权的问题,提出一种改进灰色TOPSIS模型的多响应稳健优化方法。利用主成分分析解决多响应合理客观赋权问题;引入灰色关联分析法和TOPSIS法建立改进灰色TOPSIS模型,以灰色相对贴近度作为综合度量指标,使多响应问题转化为单响应问题;并对灰色相对贴近度进行主效应分析,获得最佳参数设计水平。通过实际案例验证了该方法的有效性。

柔顺复杂精密产品早期质量设计阶段、设计参数模糊不确定性情形下,为了解决多质量特性之间关联冲突的稳健设计难题,在田口方法的基础上,结合灰色关联分析法和模糊理论,提出一种灰色模糊田口方法多质量特性稳健优化设计方法。基于正交试验设计和有限元数值模拟方法分别获取多质量特性信噪比值;在此基础上结合灰色关联分析法分别将多质量特性信噪比值转化为灰色关联系数,通过引入模糊推理系统将多质量特性灰色关联系数转换为多质量特性指标来处理早期设计阶段的设计参数模糊不确定性难题;通过算例验证了所提方法的有效性。

针对直圆柔性铰链的损伤位置和损伤程度难以准确地进行定量识别的工程难题,基于损伤识别理论,将有限元建模和特征参数分解相结合,提出一种基于特征参数分解模型的直圆柔性铰链损伤定量识别的方法,运用有限元理论对直圆柔性铰链进行有限元模型建立,引入特征参数分解模型对机构进行损伤定量,采用损伤矩阵和损伤向量对柔性铰链进行损伤描述,建立直圆型柔性铰链损伤定量识别模型。结果表明,基于特征参数分解模型的损伤定量识别方法可以较准确地识别出柔性铰链的损伤位置和损伤程度,分析方法对设备维护具有一定的工程指导意义。

针对柔顺机构中柔性铰链受到交变对称循环载荷的作用下,使柔性铰链最薄弱处容易产生应力集中,导致柔性铰链疲劳失效问题,以柔顺机构中椭圆型柔性铰链为研究对象,以材料力学中纯弯曲理论为基础,推导椭圆柔性铰链切口处最大集中应力计算公式;利用ANSYS仿真分析,对比验证了计算公式的准确性与可行性;在此基础上,通过引入线性回归方法,建立椭圆型柔性铰链寿命预测模型,既可以预测椭圆型柔性铰链的疲劳寿命,也可以解决疲劳失效问题。通过实例验证了该模型的正确性与有效性,可为其他类型柔性铰链的疲劳失效与寿命预测提供重要参考。