多工况下杆系结构拓扑型优化设计
多工况连续体结构的拓扑优化设计
鞠８ １ ２ Ｐ Ｐ单独作髑下的优化结构图
五 、 总 结
本 文 以 结 构 的 柔 度 最 小 、 刚 度 最 大 为 优 化 目标 ，基 于 Ｓ Ｍ 密度 插 值 模 型和 多 目标 函 数 的 目标 折 中规 划 方 法 建 立 了 多 ＩＰ
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工况结构 的拓扑优化模 型 ，在处理数值不稳定 问题时采用 了卷
栏 目主持 ：黎艳
投 稿 信 箱 ：Ｌ ＠ｉｎ ｖ ．ｏ ｃ ｉ ｄ ｏ ｏｃ ｍ． ｙ ｎ
三、优化算法及数值不 稳定现 象的处 理方法
１ 化 算 法 ． 优
工况结构 的拓扑优化 问题 属于多 目标的优化 问题 ，多载荷共 同
作 用各工况 很难 同时达到最优 。图５ 多个载荷共 同作用且使 是
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拓扑优化技术在某支架设计中的应用
拓扑优化技术在某支架设计中的应用作者：刘永超1 前言卡车驾驶室悬置支架是连接驾驶室和底盘的零件，它对驾驶室起到承托作用。
当汽车行进时，它同时也把底盘上的震动传递到驾驶室，这会降低驾驶员驾车的舒适度，长时间容易产生疲劳。
目前，世界各大重型车生产商都比较重视驾驶室的悬置技术，以期提高自身产品的乘坐舒适度。
由此产生了各项新技术，比如“全浮式驾驶室”悬置技术，就是在车身四角四个支点以浮式减振系统与车架底盘相连形成支撑，根据路面情况调节波动幅度。
这类系统给驾驶员带来舒适的同时，也提高了对支架的要求。
支架需要更高的强度和更小的变形，才能很好地适应新的技术。
本次设计的任务就是利用有限元分析软件HyperWorks对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优化，优化的约束是体积，目标是支架的柔度(Compliance)最小。
优化结构应同时满足强度和刚度要求。
本次分析和拓扑优化任务是基于优化结构，同时校核并降低应力。
其中拓扑优化是设计的核心任务。
拓扑优化技术是一项新兴的设计方法。
它可以在方案设计阶段给出零部件甚至车身原型合理的材料布局，减轻结构重量。
通过这项技术，企业能缩短设计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。
国外针对汽车底盘、发动机等零部件的拓扑优化分析和设计的研究及应用都已经比较成熟。
国内目前仍处于理论研究阶段，各汽车厂家也极少实际应用此项技术。
而且当前拓扑优化的软件还不成熟，需要更多的研究和实例应用。
目前汽车行业竞争激烈，国内国外各大厂家都在使用或者关注拓扑优化技术，期望通过它来提升产品的竞争力。
拓扑优化必将在未来几年得到快速的发展。
拓扑优化技术建立在有限元方法和CAE之上，它使计算力学的任务从被动的校核上升为主动的设计与优化，成为现代设计的重要手段。
拓扑优化的思想可追溯到20世纪60年代中期Dom等人的工作，但由于当时结构设计理论和方法的局限，在此后的20年间有关的研究进展缓慢。
到了20世纪80年代后期，随着结构优化设计理论和方法的逐步丰富与完善，以及计算机技术的飞速发展，拓扑优化设计重新引起众多学者的关注，并取得前所未有的发展，成为了国际上最前沿的优化设计方法之一。
多工况下汽车发动机支架静动态拓扑优化设计
多工况下汽车发动机支架静动态拓扑优化设计随着现代汽车技术的不断发展和进步，汽车发动机可靠性和稳定性的要求越来越高，因此汽车发动机支架的设计和制造变得越来越关键。
多工况下汽车发动机支架静动态拓扑优化设计，是一种有效提高汽车发动机支架强度和稳定性的方法。
首先，在进行静动态拓扑优化之前，必须先了解汽车发动机支架的工作原理、工作状态和工作环境等因素，以便更好地确定优化问题的目标和优化设计的方法。
在多工况下，汽车发动机支架承受的冲击、振动和载荷等因素都会发生变化，因此需要对发动机支架进行多工况仿真分析，以评估其强度和稳定性情况。
其次，基于多工况仿真分析结果，可以采用静动态拓扑优化方法进行设计和优化。
静态拓扑优化是一种通过调整材料数量和位置来改变结构形态的方法，从而实现减少重量和提高刚度和强度的目的。
动态拓扑优化则是在静态拓扑优化的基础上，考虑加速度和法向应力等动态因素，优化设计更加全面和科学。
最后，在进行拓扑优化设计时，还需考虑结构的可制造性、可靠性和经济性等因素，并进行综合评价，以确定最终的设计方案。
拓扑优化设计方法可以大幅度节省材料用量，降低结构成本，提高汽车发动机支架的功能性和可靠性，具有非常显著的优势。
总之，多工况下汽车发动机支架静动态拓扑优化设计，是一种能够有效提高汽车发动机支架性能和可靠性的方法。
在设计过程中，需要充分考虑各种因素，以确保设计的优化方案符合实际生产和使用的要求。
除了静动态拓扑优化方法，对于汽车发动机支架的优化设计还可采用多学科优化设计（MDO）方法。
MDO方法是一种综合多种学科的分析和优化，包括结构力学、流体力学、噪音学等方面，从而实现汽车发动机支架各方面性能的全面优化和提高。
在MDO设计过程中，需要整合各学科的分析和实验数据，确定最佳的设计方案。
基于优化设计的思路，在发动机支架制造过程中，还可以采用3D打印等先进制造技术。
3D打印技术可以直接根据设计文件制造出支架，而且可以根据需要进行调整和优化，提高生产效率和降低成本。
多工况载荷下动力舱支架结构拓扑优化设计
摘要 ：为 了将 拓扑 优化 方法 引入某 动 力舱 支 架结 构 的优 化 设计 ， 用 基 于变 密度 方 法 的结 构 采 拓扑优 化技术 ， 数 为 目标 函数 ， 以保 留体 积 比 为约 束 条 件， 进行 了支 架结 构 的拓 扑优 化设计 ， 并对优 化前 、 支架 结构 的 刚强度及 模 态振 型进 行 了对 比与 后 分析 ， 果表 明优 化 以后 动力舱支 架 的静 、 结 动态特 性均 得到 了较大 幅度 的改善 ， 最大应 力 由９ ４ＭＰ ５ ａ
Ｒ Ｉ ｉｎ ， Ｕ ａ ｇ ＷＡ Ｇ Ｈ ｎ —ａ ， Ｑ Ｎ ｏ ｇｙｎ ＷＡ Ｇ Ｌａｇｘ Ｎ ｉ —ｉ ｎ
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基于拓扑优化的泵车臂架外置连杆设计
［收稿日期］2014-08-04［通讯地址］陈鹏，江苏省徐州市徐州徐工施维英机械有限公司技术办基于拓扑优化的泵车臂架外置连杆设计王中昊，倪海敏，陈 宝（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221000）［摘要］根据混凝土泵车的布料范围，应用刚体动力学求解全工况下臂架连杆的铰点力及与周围结构件的位置关系，建立连杆的简化有限元模型；基于拓扑优化的方法，以多工况下结构平均刚度最大化为目标、结构轻量化为约束条件，建立优化模型；利用HyperWorks 软件中的OptiStruct 模块对外置连杆进行优化设计和校核。
［关键词］混凝土泵车；外置连杆；刚体动力学；拓扑优化［中图分类号］TU64 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2014）11-0092-05Externally installed connecting rod of truck -mounted concrete pump designbased on topology optimizationWANG Zhong -hao ，NI Hai -min ，CHEN Bao混凝土泵车臂架系统由多节钢结构臂架和连杆、混凝土输送管及油缸等组成，根据臂架折叠方式的不同，可以分为R 型臂架、Z 型臂架以及综合的RZ 型臂架（主要应用于大型泵车臂架）。
臂架、连杆和油缸形成臂架连杆机构，油缸驱动臂架在各种复杂工况下工作。
根据连杆与臂架位置关系，连杆分为内置连杆和外置连杆，外置连杆（如图1）的连接方式取消了臂架端部的U 型板，使得臂架轻量化并大大加强了臂头局部刚度，同时外置连杆结构简单、工艺方便，已成为目前设计的 主流。
本文针对43m 泵车外置连杆进行分析，该车臂图1 泵车臂架及其外置连杆模型连杆1连杆2连杆3连杆4连杆5连杆6连杆7连杆8aabbccdd架为5节臂结构，折叠形式为RZ 型，臂架展开姿态如图1所示。
首先应用刚体动力学求解了全工况下典型连杆的铰点力及周围结构件的位置关系［1］，建立了简化的连杆有限云模型，引用拓扑优化的设计方法［2-4］，以多工况下结构的刚度最大化为目标，结构轻量化为约束条件，建立优化模型，对外置连杆进行优化设计。
基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计
基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计一体式复合支架是一种用于支撑或加固建筑结构的重要元件，它由多个不同材料组成，包括钢筋、纤维增强材料和混凝土。
传统的一体式复合支架设计通常采用经验公式或人工设计方法，这种设计方法的结果很难优化且不可靠，尤其是在重载下、地震等震动环境下，浪费大量材料和成本，同时也安全隐患。
因此，基于计算机辅助设计（CAD）的一体式复合支架拓扑优化设计，是一种可行的解决方案，可以大大提高一体式复合支架的效率和质量。
在本文中，我们使用Inspire软件进行一体式复合支架的拓扑优化设计。
Inspire是一种专业CAD软件，使用该软件可以对支架结构进行优化设计，得到更加合理的优化结果。
下面我们在Inspire软件中创建新工程，载入一体式复合支架的初步设计模型，然后进行参数分析和材料选择。
首先，在Inspire软件中选中初始模型，然后在工作区中单击“优化”菜单，打开拓扑优化窗口。
在窗口中，通过设置目标函数和约束等参数来进行拓扑优化。
其中，目标函数通常是最小化结构体积、质量等；约束分为材料约束和几何约束两种。
材料约束是指所用材料的性能限制，例如最大应力、最大变形等；几何约束是指结构的设计约束，例如结构的最小厚度和最小角度等。
根据实际情况需要设置这些参数，从而实现优化的目的。
在进行优化时，我们需要选择材料。
在Inspire中，建议使用复合材料进行一体式支架的优化设计。
这种材料是一种具有良好性能和可靠性的结构材料，可以极大地优化支架的耐用性和重量。
同时，在Inspire中可以设置复合材料的性能参数，如层厚、弯曲刚度、拉伸强度和压缩强度等等，以使优化设计更加精细。
在设置好参数和选择合适材料后，我们可以启动Inspire的拓扑优化算法，进行自动优化计算。
该算法使用了拓扑优化和有限元分析技术，可以优化支架结构并提高其可靠性和效率。
在进行自动优化计算后，我们可以获得更加合理的一体式复合支架拓扑结构，从而实现最优设计。
结构优化与拓扑优化在机械设计中的应用
结构优化与拓扑优化在机械设计中的应用近年来，结构优化与拓扑优化在机械设计中的应用逐渐受到广泛关注。
随着科技的不断发展，人们对机械产品的要求越来越高，传统的设计方法和思路已经无法满足需求。
因此，结构优化和拓扑优化成为了提高机械产品性能和质量的重要手段。
结构优化是通过调整和优化设计参数，使得结构在给定约束下的性能指标最优化。
通常，结构优化旨在优化结构的强度、刚度、稳定性等性能指标。
在过去，设计师需要根据经验和试错进行多轮优化，耗费大量时间和资源。
而结构优化的出现，使得设计过程更加快速、高效。
在结构优化中，常用的方法包括有限元法、响应面法、遗传算法等。
这些方法能够充分利用计算机的计算能力，进行大规模的参数空间搜索，从而找到最优设计。
同时，结构优化也能够提高机械产品的设计自由度，使得设计师能够尝试更多的可能性，从而创造出更优秀的产品。
除了结构优化，拓扑优化也成为了机械设计中的重要工具。
拓扑优化是指通过删除或添加材料，调整材料的形状和分布，使得结构在给定约束条件下的优化性能最佳。
与传统的结构优化不同，拓扑优化主要关注结构的形态和材料分布，以求实现更轻量化和高强度的设计。
拓扑优化的核心是拓扑变量的选取和优化算法的设计。
通过选择合适的拓扑变量，可以灵活地调整结构的形状和分布。
而优化算法则能够以高效的方式搜索拓扑空间，找到最优设计。
被广泛使用的拓扑优化算法包括启发式算法、优化理论和拓扑重组等。
这些算法从不同的角度出发，提供了多种多样的拓扑优化方案。
结构优化与拓扑优化的应用范围非常广泛。
例如，在航空航天领域，结构优化可以应用于发动机、机翼等部件的设计，以提高飞行器的性能和安全性。
在汽车工业中，通过结构优化和拓扑优化，能够降低车身重量，提高燃油效率。
此外，在机械加工、建筑工程等领域，结构优化和拓扑优化也发挥着重要作用。
然而，结构优化与拓扑优化也面临一些挑战。
首先，由于优化结果具有高度非线性和多模态特性，设计师难以直接理解和接受。
结构拓扑优化的发展现状及未来
结构拓扑优化的发展现状及未来王超中国北方车辆研究所一、历史及发展概况结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。
目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期,尤其在国内尚属于起步阶段。
1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。
自1964 年Dorn等人提出基结构法,将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。
20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。
1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。
1993年Xie.Y.M和Steven.G.P 提出了渐进结构优化法。
1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。
2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。
二、拓扑优化的工程背景及基本原理通常把结构优化按设计变量的类型划分成三个层次：结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
尺寸优化和形状优化已得到充分的发展，但它们存在着不能变更结构拓扑的缺陷。
在这样的背景下，人们开始研究拓扑优化。
拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。
寻求一个最佳的拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。
退化原理的基本思想是在优化前将结构所有可能杆单元或所有材料都加上，然后构造适当的优化模型，通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素,直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。
进化原理的基本思想是把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化，它通过模拟适者生存、物竞天择、优胜劣汰等自然机理来获得最优的拓扑结构。
拓扑优化——精选推荐
拓扑优化结构拓扑优化设计现状及前景⽬前, 最优化设计理论和⽅法在机械结构设计中得到了深⼊的研究和⼴泛的应⽤。
所谓优化设计就是根据具体的实际问题建⽴其优化设计的数学模型, 并采⽤⼀定的最优化⽅法寻找既满⾜约束条件⼜使⽬标函数最优的设计⽅案。
根据优化问题的初始设计条件, ⽬前结构优化技术有四⼤领域: 1) 尺⼨优化; 2) 形状优化; 3) 拓扑与布局优化; 4) 结构类型优化。
结构尺⼨优化是在结构的拓扑确定的前提下, ⾸先⽤少量尺⼨对结构的某些变动进⾏表达, 如桁架各单元的横截⾯尺⼨、某些节点位置的变动等, 然后在此基础上建⽴基于这些尺⼨参数的数学模型并采⽤优化⽅法对该模型进⾏求解得到最优的尺⼨参数。
在尺⼨优化设计中, 不改变结构的拓扑形态和边界形状, 只是对特定的尺⼨进⾏调整, 相当于在设计初始条件中就增加了拓扑形态的约束。
⽽结构最初始的拓扑形态和边界形状必须由设计者根据经验或实验确定, ⽽不能保证这些最初的设计是最优的, 所以最后得到的并不是全局最优的结果。
结构形状优化是指在给定的结构拓扑前提下, 通过调整结构内外边界形状来改善结构的性能。
以轴对称零件的圆⾓过渡形状设计的例⼦。
形状设计对边界形状的改变没有约束,和尺⼨优化相⽐其初始的条件得到了⼀定的放宽,应⽤的范围也得到了进⼀步的扩展。
拓扑优化设计是在给定材料品质和设计域内,通过优化设计⽅法可得到满⾜约束条件⼜使⽬标函数最优的结构布局形式及构件尺⼨。
拓扑设计的初始约束条件更少, 设计者只需要提出设计域⽽不需要知道具体的结构拓扑形态。
拓扑设计⽅法是⼀种创新性的设计⽅法, 能为我们提供⼀些新颖的结构拓扑。
⽬前, 拓扑设计理论在柔性受⼒结构、MEMS 器件及其它柔性微操作机构的设计中得到了⼴泛的研究。
结构拓扑优化的发展概况结构拓扑优化包括离散结构的拓扑优化和连续变量结构的拓扑优化。
近10 年来, 结构拓扑优化设计虽然取得了⼀些进展, 但⼤部分是针对连续变量的, 关于离散变量的研究为数甚少。
多工况下客车车架结构多刚度拓扑优化设计研究
转 化为单 目标 问题求 解 ， 实现 方便 ， 但对 非 凸优 化 问
刚 吾
题 来说 ， 不能 确保 得 到所有 的 Ｐｒｔ最 优解 ＿ 。 ａｅ ｏ ５ Ｊ
客车在使用过程 中要承受扭转、 曲等多种载 弯
车架 优化设 计 包 括 拓 扑 优 化 设 计 、 寸优 化 设 尺 计和形 状优 化设 计 ， 者决 定结 构 的最 优 拓 扑形 状 ， 前
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化 和形状 优化 相 比 ， 构拓 扑优 化获 取 的效 益 更 大 ， 结 对 工程设 计人 员 更 具 吸 引力 ， 有 更 广 阔 规 划 法 客 车 多 折
Ｍｕ ｔ—ｔｆｎ ｓ ｐ ｌｇ ｔｍｉａｉｎ ｏ ｓ Ｆ ａ ｔ ｌｉ ｌ ａ ｉｇ Ｃｏ ｄｔｏ ｓ ｌｉｓｉｆ ｅ ｓＴｏ ｏ ｏ ｙ Ｏｐ ｉ ｚ ｔｏ ｆＢｕ ｒ ｍｅ ｗｉｈ Ｍｕ ｔｐｅ Ｌｏ ｄ ｎ ｎ ｉ ｎ ｉ
严以至漏风、 渗雨以及伤及内饰等现象。另外 ， 如果 车 身刚度 设 计不 合 理 ， 汽车 行 驶 的 平 顺 性 和操 纵 对
稳定 性产 生不 利影 响 ， 而影 响 汽 车 的主 动安 全性 。 从
车架 结构对 车身 的刚度 特性 具 有 重 要 影 响 ， 因此 研 究 车架结 构 的刚度显 得 十分 重要 。 作 者基 于带 权 重 的折 衷 规 划 法 ， 多工 况 载 荷 将 对 应 的多 目标 函数优 化 问题转 化 为单 目标 函数 优化
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多工况下杆系结构拓扑型优化设计
作者：王英杰， 刘才， 王英睿
作者单位：燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004
刊名：
力学与实践
英文刊名：MECHANICS IN ENGINEERING
年，卷(期)：2002,24(4)
被引用次数：1次
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5.陈建军.曹一波.孙怀安.Chen Jianjun.Cao Yibo.Sun Huaian多工况下具有体系可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计[期刊论文]-固体力学学报2000,21(1)
1.凌和海粘弹性阻尼器在网架结构减振控制中的参数优化研究[学位论文]硕士 2005
引用本文格式：王英杰.刘才.王英睿多工况下杆系结构拓扑型优化设计[期刊论文]-力学与实践 2002(4)。