拓扑分析与尺寸优化相结合的FSAE车架轻量化设计研究

围绕江苏大学方程式赛车车架设计展开研究。依据大赛规则,确定车架主体结构,利用Hypermesh进行拓扑分析,合理布置局部细节杆件。在CATIA中建立车架三维模型,利用ANSYS以扭转刚度为评价标准设置杆件尺寸为设计变量进行尺寸优化。优化结果显示:整体扭转刚度得到提升,质量得到减少。最终车架扭转刚度达到2415.2 N·m/(°),质量为27.2kg,满足结构设计与轻量化要求。最后对车架结构进行了4种工况分析和模态分析,保证其使用安全、可靠。     

考虑多工况刚度和模态灵敏度的全地形车车架轻量化设计

针对某全地形车质量偏大的缺陷,提出一种基于刚度和模态灵敏度的全地形车车架轻量化方法。构建全地形车车架有限元模型并验证仿真模型的精准性;分析车架的弯曲和扭转刚度以及3种典型工况下的强度;采用相对灵敏度方法筛选设计变量,基于弯曲和扭转刚度的仿真分析,以质量最小为目标,1阶模态频率、扭转刚度和弯曲刚度为约束条件,对全地形车车架结构进行轻量化优化;将优化模型与基准模型进行综合对比,采用3种典型工况进行验证。结果表明：在弯曲刚度和扭转刚度分别提高4.9%和9.5%的条件下,车架总质量减少17.39 kg,降幅为7.5%。优化后的车架在水平弯曲、极限扭转和紧急制动3种典型工况下的应力分别降低15.0%、2.6%和8.8%。     

基于HyperWorks的混合动力环卫车副车架有限元分析及轻量化设计

为降低混合动力环卫车副车架质量和整车油耗,达到车辆节能减排的目的,采用CATIA建立混合动力环卫车副车架的三维模型,并导入HyperWorks中。利用HyperWorks建立副车架的应力分析有限元模型,并计算颠簸、转弯、加速3种工况下副车架的应力分布和变形量。基于静态的有限元仿真结果,以颠簸工况作为设计工况对副车架进行拓扑优化。根据得到的优化结果,提出在副车架上适当加工减重孔的轻量化设计方案,并对改进设计后的副车架进行仿真,验证方案的合理性。研究结果显示:在满足副车架强度和变形量要求的前提下,通过对副车架的轻量化设计,使副车架总质量降低12.96%,实现了轻量化的目标。     

基于拓扑优化的折弯机结构优化设计

针对传统折弯机设计存在结构过于保守、笨重等缺点,以某数控液压折弯机为研究对象,利用Pro/E建立三维模 型,并根据有限元理论应用ANSYS Workbench软件对折弯机进行拓扑优化。以轻量化为目标,基于拓扑优化结果,给出 初步优化模型,再通过尺寸优化确定墙板和加强板厚度。最终给出满足强度刚度要求的结构优化方案,并使总体质量减 少。研究提出了在折弯机结构优化设计中,将拓扑优化与尺寸优化相结合的设计方法。     

扇贝脱壳机特征值屈曲特性分析及优化

为实现扇贝脱壳机轻量化设计，课题组运用ANSYS Workbench 18.0对其进行屈曲特性分析，仿真分析得到屈曲特征值和振型图，确定脱壳机发生失稳时的临界应力值及屈曲发生的位置；在此基础上，基于变密度法优化准则进行拓扑优化，将优化前后的屈曲特性进行对比。拓扑优化结果显示:优化后结构整体减轻了12.5%，最大变形量基本保持一致。该研究在保证结构满足正常工况要求的同时，达到扇贝脱壳机轻量化要求。     

某轻型飞机方向舵操纵系统结构分析及优化

基于某款轻型固定翼飞机方向舵操纵系统的结构和原理,利用Hypermesh和Patran建立有限元分析模型,将Nastran作为求解器校核了设计工况下方向舵操纵系统操纵杆系及其安装摇臂的静强度,并计算了操纵系统杆系的稳定性,最后采用SIMP材料插值模型的变密度法的拓扑优化技术对关键摇臂进行优化,在满足设计功能且质量减少10%的前提下给出其拓扑优化结果,为摇臂的结构设计提供依据。该研究对飞机操纵系统的校核和轻量化设计提供了参考。     

某重型钢水罐车车架结构的有限元分析及优化

以某车架为研究对象，采用参数化有限元分析方法，进行了弯曲工况下应力和应变的计算。通过电测量验证了有限元模型的正确性，进而以车架的体积为目标，对车架进行了参数化模型的结构优化，得到了满足结构强度的最佳方案。     

铁路货车制动杠杆的优化与设计

针对某铁路货车制动杠杆的轻量化问题,进行了该模型的受力分析,并在此基础上完成了制动杠杆的变密度法拓扑优化设计。优化之后,从应力、变形、体积等方面与之前做了对比,并根据在工况下的受力进行了疲劳寿命的分析和总结。结果表明,优化之后的制动杠杆较优化之前质量减少了6.166%,应力状况有所改善。     

装载机车架受力有限元分析

履带式装载机车架结构受力比较复杂,在设计时要对其进行强度校核是很困难的.本文对装载机车架进行受力分析,建立了车架的力学模型,将车架看作一个空间刚架,运用弹性力学及有限元理论对车架进行分析,选择几个典型工况作为车架有限元分析的计算工况,得出了车架强度的计算方法.     

某动车组齿轮箱疲劳强度仿真分析

针对某高速动车组齿轮箱,分析其工作工况下的疲劳强度以及极限工况下强度,运用齿轮计算软件提取电机激励载荷,然后运用有限元分析软件对齿轮箱极限工况与工作工况进行强度与疲劳强度分析。分析表明:在工作工况下箱体疲劳强度满足设计要求;在极限工况下箱体强度满足要求,个别螺栓强度不合格,螺栓经尺寸优化后满足设计要求。     

基于ANSYS的异型挠性管板强度分析及优化

为确保某异型挠性预热器管板强度的安全性,利用ANSYS分析软件对其进行强度分析。由分析结果可知,管板的设计满足各个工况的强度要求,温度载荷对管板的应力强度和应力分布影响显著。由于管板的初始设计过厚,导致设计偏于保守。利用ANSYS提供的APDL语言编程参数化技术,针对此过大安全裕度的问题,对该换热器进行结构优化分析。分析结果表明,在满足强度的要求的前提下,管板厚度得到有效降低,由此节约管板材料将近32%,优化效果十分明显,实现了轻量化和经济性的目标,对工程设计研究具有一定的指导意义。     

汽车门锁的棘轮棘爪轻量化设计

为了实现汽车门锁的轻量化，课题组将拓扑优化方法应用到汽车门锁的设计中。建立棘轮棘爪的有限元模型，分析确定可优化区域；在满足实际要求的情况下，结合基于变密度法的拓扑优化方法，以整体质量最小为目标，得到棘轮棘爪的最佳传力路径和材料分布。经验证优化后的棘轮棘爪满足强度设计要求，与原结构相比质量减小33.6%。该研究可应用于同类汽车零部件的轻量化设计，具有一定的工程应用价值。     

纯电动压缩式垃圾车刮滑板结构轻量化研究

当前环卫企业纯电动压缩式垃圾车续航里程短、动力不足等问题突出,而传统的结构轻量化方案效果并不理想。为此,以寻求垃圾车压缩关键部件刮滑板的最优结构为研究目标,引入HyperMesh工程软件中拓扑优化模块以及有限元静力分析模块,建立了基于变密度理论SIMP法的拓扑优化数学模型,并结合现有结构尺寸优化、形状优化方法完成了刮滑板结构设计及有限元校验。研究结果表明:引入先进的拓扑优化方法可有效优化刮滑板结构,并降低刮滑板总质量,为拓扑优化理论在实际工程中对复杂零部件的轻量化技术研究以及新产品结构设计提供了先进的设计研究方案。     

进港行李转盘轻量化研究

为了减轻行李转盘的质量、降低制造成本，课题组进行了轻量化设计。课题组利用SolidWorks建立了进港行李转盘主要承载部件机架的实体模型，使用ANSYS Workbench模块对机架进行静力学分析与动力学模态分析；对机架中的支撑立板结构进行拓扑优化，根据优化结果对机架进行轻量化设计。仿真结果表明：轻量化后的机架满足设计要求，且质量降低了20.35%。该研究方法实现了轻量化设计的目标，降低了生产制造成本，提升了产品的竞争力。     

基于ANSYS的车架强度和刚度分析

以某轻型货车车架为例,对车架的结构特点进行分析,利用AN SY S软件建立了车架的力学模型。对车架的约束和所受载荷进行处理,通过车架强度和刚度进行分析计算,可以找到车架的薄弱部位,为以后设计和优化车架提供了一定的参考。     

基于ANSYS的高速吹灌旋一体机灌装系统组合机架结构优化

为了满足新型高速吹灌旋一体机可靠、低耗和轻量化的要求,同时为了降低新产品的成本,课题组对其组合机架进行优化。基于有限元分析软件ANSYS对原灌装机架进行应力和模态分析,结果表明机架的最大应力和最大变形均较小,机械强度远超设计要求。故课题组采用减薄底部法兰和矩形管厚度的方法对原组合机架进行轻量化改进。研究结果表明：改进后在保证机架满足强度要求的同时,不会发生共振,符合轻量化要求。课题组的研究降低了成本和能耗。     

全电动式注塑机合模机构尾板的拓扑优化设计

针对当前急需解决的全电动曲肘式注塑机尾板的结构优化问题,通过对尾板实际工况下的拓扑优化分析,给出 了全电动式注塑机尾板的拓扑优化结构,从而揭示了尾板上的质量减轻优化部位。通过对尾板拓扑优化模型的进一步 有限元分析,就模型的各质量减轻部位对尾板的应力和变形的影响情况进行了验证,完善了尾板的模型。该研究为尾板 的最终优化结构给出了实际性的指导。     

基于ABAQUS的齿轮简化杯状体轻量化设计

为了验证某型号的齿轮简化杯状体构件的使用安全性，并寻求轻量化解决方案，课题组采用有限元软件Pro E进行建模，用Hypermesh进行网格划分，利用ABAQUS软件进行了杯状体构件的模态仿真分析和应力应变仿真分析。根据有限元结果对杯状体底部进行结构优化设计，寻求轻量化解决方案。结果表明：在相关工况下分析得出的最大应力满足许用应力值，此型号的杯状体构件性能安全；所做的拓扑优化设计避开了应力值较大区域，满足安全性要求。本研究为产品进行轻量化设计提供了思路。     

新型Cr12Mo1V1剪切刀具的破坏分析与结构优化

针对目前新型Cr12Mo1V1剪切刀具在使用中频繁发生破坏行为,采用三维有限元方法系统研究了该刀具在切割工况下的力学行为。先得到了该刀具的详细应力场,确定其危险部位,并基于经典强度理论对其破坏进行了分析与校核;详细研究了刀具在出现不同几何尺寸的三维角裂纹时,其裂纹前缘应力强度因子的分布结果。基于这些结果对该刀具的几何结构与尺寸进行了优化,降低了应力水平,提高了抗断裂强度。     

基于虚拟试验台的驾驶室边界载荷谱研究

以某型商用车驾驶室为研究对象,考虑车架大变形及刚度影响,利用虚拟台架技术搭建驾驶室-车架刚柔虚拟台架模型,建立车架7通道等效位移激励复现驾驶室实际工作状态。将虚拟台架模型与实车试验内部响应信号相结合,选择信噪比较高的信号为目标信号进行迭代分析,基于系统传递函数迭代获取车架位置等效位移激励。以小圆凸起路面为例,经过9次迭代后,响应值与目标值在时域范围内曲线峰值、趋势及相位上有很高的重合度,频域范围内重合度也较高,各通道相对损伤值均在1左右,迭代精度较高,然后分解获取驾驶室各工况边界载荷谱,为后续驾驶室疲劳寿命预估提供可靠时域载荷谱。