機械結(jié)構(gòu)件拓撲優(yōu)化設(shè)計的研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計經(jīng)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(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計正在成為這一領(lǐng)域的研究熱點.雖然優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)果不一定是最佳結(jié)構(gòu).該文針對結(jié)構(gòu)件的拓撲優(yōu)化設(shè)計的研究,主要內(nèi)容包括:結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計過程是

2、在負載條件下對結(jié)構(gòu)進行改進的過程,該文以初始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力流作為結(jié)構(gòu)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(wǎng)格模型相結(jié)合,采用刪除低應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)的基本策略,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓撲生成,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作了有益的嘗試,這主要表現(xiàn)在:(1)采用應(yīng)力流控制結(jié)構(gòu)變異的過程,是結(jié)構(gòu)材料承載應(yīng)力均化的自適應(yīng)過程,它以結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(quán)圖的方式有效地解決了結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)的幾何形狀優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合,從而達到描述結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性的關(guān)系.機床零部件的結(jié)構(gòu)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(guān)系著床身的動態(tài)特性,適當調(diào)整導軌的截面尺寸,可以在一定范圍內(nèi)調(diào)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(jié)構(gòu)件

5、的約束形式與其動態(tài)特性有著密切關(guān)系,探討機床結(jié)構(gòu)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(chǎn)品質(zhì)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(jié)構(gòu)件中的筋板特征,提出了以梁模型表示的筋板結(jié)構(gòu)力學模型,為筋板結(jié)構(gòu)件的幾何形狀優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了條件.作為動力設(shè)計的基礎(chǔ),就筋板結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)件的靜動態(tài)特性影響作了初步分析,并以具體的機床產(chǎn)品中的大件結(jié)構(gòu)為對象,闡述了筋板結(jié)構(gòu)對其靜動態(tài)性能的影響