機械結構件拓撲優(yōu)化設計的研究.pdf

1、結構優(yōu)化設計經歷了截面尺寸優(yōu)化、幾何形狀優(yōu)化兩個階段,近年來隨著計算技術以及人工智能技術的發(fā)展,結構拓撲優(yōu)化設計正在成為這一領域的研究熱點.雖然優(yōu)化設計和有限元分析各自形成了完整、成熟的理論體系,但由于目前在結構形狀優(yōu)化過程中普遍采用邊界節(jié)點控制方法,使得形狀尋優(yōu)方案在有限集合內進行,這不僅沒有充分發(fā)揮優(yōu)化搜索方法的效率,而且從某種程度上講,所得結果不一定是最佳結構.該文針對結構件的拓撲優(yōu)化設計的研究,主要內容包括:結構件優(yōu)化設計過程是

2、在負載條件下對結構進行改進的過程,該文以初始結構的應力流作為結構優(yōu)化的控制函數(shù),通過幾何描述和拓撲描述的分離,有效地將圖形處理和有限元網格模型相結合,采用刪除低應力區(qū)域結構的基本策略,實現(xiàn)結構的拓撲生成,為結構優(yōu)化設計作了有益的嘗試,這主要表現(xiàn)在:(1)采用應力流控制結構變異的過程,是結構材料承載應力均化的自適應過程,它以結構重量最輕為目的,不僅可以改變模型的幾何信息,而且能夠改變模型的拓撲信息,易于實現(xiàn)結構的突變;(2)采用單元的刪除

3、和局部單元修正方式,易于算法的計算機實現(xiàn),加權圖的方式有效地解決了結構分析中的多因素問題;(3)該方法不要求初始方案在最優(yōu)設計區(qū)域附近,大大降低了使用這一方法的難度.根據(jù)邊界元方法的特點,提出以邊界模型描述實現(xiàn)形狀優(yōu)化的基本思路,并將邊界元分析方法與結構的幾何形狀優(yōu)化設計相結合,從而達到描述結構邊界形狀和在尋優(yōu)過程中方便地實施邊界變化控制的目的.以車、磨床中常用的簡式隔板床身作為支承大件的分析對象,以鋼板的焊接結構為原型,通過對垂直隔板

4、布局的床身動態(tài)特性分析,闡述了有限元模型對結構分析的影響,討論了床身導軌、墻板以及隔板截面尺寸等幾何參數(shù)與結構靜動態(tài)特性的關系.機床零部件的結構布局和尺寸影響著動態(tài)特性,正確定義有限元模型是分析的前提;床身導軌的幾何尺寸不僅對機床運動精度、導向精度有影響,而且關系著床身的動態(tài)特性,適當調整導軌的截面尺寸,可以在一定范圍內調整床身的固有頻率;床身的厚度與床身固有振型頻率成正比,在保證動態(tài)特性的條件下,減少厚度可以大大地降低床身重量.結構件

5、的約束形式與其動態(tài)特性有著密切關系,探討機床結構件如底座、立柱、床身、橫梁、主軸箱、變速箱等的堅固螺釘排由形式對其動態(tài)特性的影響,對于提高機床產品質量,保證機床的動態(tài)加工精度具有重要意義.論文針對機械結構件中的筋板特征,提出了以梁模型表示的筋板結構力學模型,為筋板結構件的幾何形狀優(yōu)化設計創(chuàng)造了條件.作為動力設計的基礎,就筋板結構對結構件的靜動態(tài)特性影響作了初步分析,并以具體的機床產品中的大件結構為對象,闡述了筋板結構對其靜動態(tài)性能的影響