渐进结构优化法的实现及其在泵车轻量化中的应用

论文摘要

结构拓扑优化是当今结构优化研究领域的热点,与尺寸优化和形状优化相比,结构拓扑优化能够取得更好的经济效益,对工程设计人员更具吸引力。连续体结构拓扑优化因为设计变量较多,数值计算量巨大而被认为是当前结构优化领域内的难点之一,对其研究具有非常重要的理论意义和工程应用前景。本文以大型通用软件Ansys为平台,开发了渐进结构优化法和双向渐进结构优化法的程序,并通过经典算例对程序进行了验证。针对工程实际中的多工况优化问题,将双向渐进结构优化法和分层优化技术结合在一起,形成了新的优化方法,算例表明该方法是可行并且有效的。首次将双向渐进结构优化法应用到了建筑机械领域,利用所编写的程序成功实现了单工况下泵车支腿的轻量化和多工况下变幅油缸的轻量化。主要研究内容包括:1.程序开发(1)以渐进结构优化法的基本思想为基础,结合APDL语言的特点,开发了基于单元应力水平和应变能水平的渐进结构优化法的程序。通过典型算例证明了程序的正确性。并通过实例解释了渐进结构优化法中存在的数值不稳定问题。(2)吸收消化最新的双向渐进结构优化法思想,根据工程实际应用的需要,在渐进结构优化法的基础上开发了基于应力约束的双向渐进结构优化法程序。(3)结合分层优化技术,采用分段实现的方式,编程实现了解决多工况下优化问题的新方法。2.实际复杂结构轻量化的实现(1)在充分考虑支腿承载情况的前提下,对支腿的边界条件进行了合理的简化。并利用开发的程序对由于可能存在的加工误差造成两种不同边界条件下的支腿进行了优化,结果表明了端部约束条件对支腿腹板优化的结果影响甚微。对优化结果进行了构形调整,结果的结构分析表明调整后的结构在减轻重量的同时满足支腿工作时的力学要求。(2)通过对编写的二维程序进行修改,分别对在拉、压工况下的变幅油缸进行了三维优化。引入分层优化技术,以受压时单工况的优化结果为基础,解决了应力约束下变幅油缸在多工况下的优化问题,表明将双向渐进结构优化法与分层优化技术结合起来解决多工况问题是可行并且有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 结构优化源流
• 1.1.2 结构优化的分类
• 1.1.3 拓扑优化理论方法发展概况
• 1.1.4 渐进结构法的发展及应用
• 1.2 课题主要内容
• 1.3 课题意义
• 第2章 结构优化
• 2.1 结构优化的基本概念和数学模型
• 2.2 结构优化问题
• 2.2.1 结构优化问题的分类
• 2.2.2 结构优化问题的特点
• 2.3 优化方法的发展及工程技术人员对优化方法的期望
• 2.3.1 传统优化方法和现代优化方法
• 2.3.2 工程技术人员对优化方法的期望
• 2.4 开发平台及编程语言简介
• 2.5 本章小结
• 第3章 渐进结构法和双向渐进结构法的研究及实现
• 3.1 渐进结构优化法
• 3.1.1 渐进结构法的基本思想和特点
• 3.1.2 渐进结构法的基本步骤和程序流程图
• 3.1.3 渐进结构法的单元删除准则
• 3.1.4 强度约束下的渐进结构法灵敏度分析
• 3.1.5 算例分析
• 3.1.6 基于固定有限元网格拓扑优化方法的数值不稳定问题
• 3.2 双向渐进结构优化法
• 3.2.1 双向渐进结构法的基本步骤和程序流程图
• 3.2.2 单元增减准则
• 3.2.3 BESO 方法敏度分析—名义应变能密度的计算
• 3.2.4 收敛准则
• 3.2.5 算例分析
• 3.3 多工况拓扑优化方法
• 3.3.1 多工况拓扑优化方法简介
• 3.3.2 经典算例
• 3.4 本章小结
• 第4章 双向渐进结构法的应用
• 4.1 泵车行业现状及泵车基本结构介绍
• 4.2 支腿优化——单工况下二维平面结构的优化
• 4.2.1 载荷和约束条件分析
• 4.2.2 支腿的FEA 模型及设计域的选择
• 4.2.3 两种不同约束方式的典型拓扑优化图样
• 4.2.4 构型修整后的支腿三维模型和FEA 模型
• 4.2.5 新老设计方案对比
• 4.3 臂架变幅油缸优化——多工况下三维实体结构的优化
• 4.3.1 油缸有限元分析约束条件的简化
• 4.3.2 单工况下变幅油缸的接触应力分析
• 4.3.3 设计域及优化区域的材料组成
• 4.3.5 应力约束全局化策略
• 4.3.6 单工况下的拓扑优化
• 4.3.7 多工况下的拓扑优化
• 4.3.8 构型修整后的油缸的三维模型和FEA 模型
• 4.3.9 新老设计方案对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的论文