某机载控制台拓扑优化设计研究

发布时间：2019-11-20 12:23

【摘要】：结构拓扑优化是近年来结构优化研究领域中的前沿课题和热点问题,它可在改善或保持结构性能的基础上实现材料最优分布。采用拓扑优化技术不仅能缩短设计周期,降低装备重量,提升产品整体设计水平,而且还可以解决复杂结构在传统设计中难以解决的设计问题。本文以某机载控制台为研究对象,利用有限元分析法与结构拓扑优化技术相关的理论和方法,对机载控制台进行结构优化设计。根据数学规划法相关理论,采用宽容分层序列法对控制台下台体结构进行分步拓扑优化设计,以实现特定结构的多目标拓扑优化问题。第1步以刚度为优化目标、体积分数为约束条件进行拓扑优化设计获得拓扑优化结果。增加优化结果设计宽容值重新建立拓扑优化设计空间。第2步以一阶频率为优化目标,以体积分数与频率响应位移作为约束条件进行拓扑优化分析,获得拓扑优化设计概念模型。然后对拓扑结果进行局部调整后,并参照传统设计的截面尺寸与厚度进行参数化技术建模,最终得到拓扑优化设计结果模型。基于拓扑优化结果模型选取下台架结构各杆件的厚度作为设计变量,分别以下台架结构的一阶、二阶固有频率作为优化目标,以总重量作为约束条件进行灵敏度分析,并根据灵敏度分析结果重新选择优化设计变量对控制台下台架进行二级尺寸优化。尺寸优化后比尺寸优化前质量约减轻5.711%,同时一阶固有频率提升40.45%、二阶固有频率提升46.58%,改变效果十分明显。通过对传统(常规)设计的结构与拓扑设计获得的结构进行模态分析对比,结果表明拓扑设计获得的结构比传统设计结构质量增加较小,但是低阶固有频率提高显著,说明通过拓扑设计获得的结构比传统设计结构具有较好动态性能。最后对拓扑优化获得的控制台结构与传统设计结构进行随机振动仿真分析对比验证,并通过振动试验测试进行验证,表明设计结果的准确、可靠。
【图文】：

西华大学硕士学位论文.2 OptiStruct 常用优化类型（1） OptiStruct 拓扑优化拓扑优化是指在给定目标函数与约束体积情况下寻找设计域内材料的最优分布在满足结构性能（比如应力、位移、刚度、频率等）要求的情况下，通过拓扑优化方法来寻找材料的最优结构分布，，是一种创新性的概念设计方法。与尺寸优化、形化相比是一种更高级的优化设计方法。下图 3.2 是通过 OptiStruct 模块对汽车控制行的拓扑优化。

图 3.2 拓扑优化示例Fig.3.2 Topology optimization example（2） OptiStruct 尺寸优化尺寸优化是 OptiStruct 提供的继拓扑优化后的一种详细设计方法，常用于对优化有了大概形状后通过改变优化模型的尺寸参数来达到优化目标，比如杆的直径、厚性元件的刚度系数等，通过尺寸优化可以使结构的性能更加均衡、尺寸参数分布更理。下图 3.3 是厚度尺寸优化的一个示例。
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH122

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本文编号：2563556