荣见华,傅建林.典型三维机械结构拓扑优化设计.机械强度, 2006, 28 (06) ：825-832
机械设计中的几何构型优化与拓扑优化
机械设计中的几何构型优化与拓扑优化几何构型优化和拓扑优化是机械设计领域中非常重要的一部分。
这两种方法可以用来提高机械产品的性能和效率，并且被广泛应用于各个领域，比如汽车工程、航天技术、船舶设计等。
几何构型优化是指通过改变机械产品的形状和尺寸来改善其性能。
在设计过程中，工程师通常会根据经验和直觉来确定机械产品的初始形状。
然而，这种方法往往不够精确，可能存在一些优化空间被忽视的情况。
通过几何构型优化，工程师可以借助计算机模拟和优化算法，系统地搜索最佳的几何形状，以获得更好的性能。
例如，在汽车设计中，几何构型优化可以用来优化车身的气动性能，减小风阻力，提高燃油效率。
拓扑优化则是在给定的设计空间内寻找材料的最佳分布，以满足特定的约束条件和目标。
这种方法可以帮助工程师寻找出最优的材料配置方案，从而提高机械产品的强度、刚度和轻量化程度。
拓扑优化通常以有限元分析为基础，通过不断调整材料的分布和形状，在保持结构完整性的前提下提高其性能。
例如，在航天器设计中，拓扑优化技术可以用来减轻船体的重量，增加结构的强度和刚度。
几何构型优化和拓扑优化在机械设计中的应用是相互关联的，有时候也会结合使用。
例如，在汽车发动机的设计中，通过几何构型优化可以改进气缸的形状和排列方式，以提高燃烧效率和功率输出。
而拓扑优化可以用来优化发动机的材料分布，减少重量并提高整体性能。
这些优化方法的结合可以使得机械产品的性能达到一个更高的水平。
然而，几何构型优化和拓扑优化也存在一些挑战和限制。
首先，优化算法的复杂性是一个问题。
由于机械产品的设计空间通常非常大，所以优化的搜索过程需要耗费大量的计算资源和时间。
其次，优化结果的验证和实现也是一个挑战。
优化算法得到的结果可能是理想的，但在实际制造中可能面临一些技术和经济上的限制。
因此，对于优化结果的验证和实现需要考虑到多个因素和约束条件。
几何构型优化和拓扑优化是机械设计中非常有潜力的工具。
通过这些方法，可以大大提高机械产品的性能、效率和质量，同时实现材料和资源的节约。
工业机器人机械臂拓扑优化设计
工业机器人机械臂拓扑优化设计摘要：如今，工业机器人正不断向高精度和高速度的方向发展。
因此，工业机器人在不断提高控制性能的同时，更要不断优化其机械结构，以满足工业机器人发展的需求。
机械臂作为支承和带动运动的部件，要求具有较高的静态刚度和动态固有频率，以减小工作中的变形与振动，提高整机的运行精度，这也是其优化设计的重点和难点。
基于此，本篇文章对工业机器人机械臂拓扑优化设计进行研究，以供参考。
关键词：工业机器人；机械臂拓扑；优化设计引言近年来，伴随着工业的发展进程，制造业劳动成本直线上升，劳动成本的增加，导致电子加工企业的盈利水平大大下降，劳动力成本的增加给企业发展带来极大压力，使得企业急需用工业机械臂取代人工来降低产品成本。
机械臂作为机器人领域中使用最广泛的一种机械装置，被应用在各个行业，从工业生产中的仓库管理、汽车制造，到农业生产中的码垛和瓜果产品的采摘分拣。
在工业生产中，许多工厂都是使用示教法对机械臂进行控制的，即事先通过手动拖拽或是使用示教器调整的方式，移动机械臂到达每一个目标位置，并保存各个目标的位置信息，然后在使用时机械臂会按照目标点的顺序移动。
为了实现更灵活的机械臂应用，越来越多的研究人员开始将人工智能的数据驱动的方法应用在机械臂的控制中。
1搬运机器手控制系统设计分析搬运机械手的工作原理是X轴电动机将动力传递给X轴，Z轴电动机将动力传递给Z轴。
框架围绕底座旋转，电磁铁是记录电子元件的执行器。
机械手工作时，首先点击触摸屏上的复位按钮，驱动模块接收主控模块的复位指令，并在工作台注塑前吸附电子元件夹具。
为防止机械臂在工作过程中的电子元器件与工作台产生摩擦，当将机械手上升到工作台面上方的一定位置之后，再驱动Z轴使机械手到达指定位置——注塑机，然后断开电磁铁的电力，机械手返回原位，将电子元器件夹具拾取起来。
2工业机器人小臂加强装置优化设计与建模工业机器人小臂加强装置由上机械套和下机械套组成；上机械套和下机械套通过螺栓组件连接在一起，同时为了减轻工业机器人小臂加强装置的质量，在上下机械套开有一些减重槽以及卡槽，为了解决工业机器人在高温、潮湿、酸性或碱性环境下，机械臂上自带的油管、气管等。
ZL50型装载机动臂结构的拓扑优化设计
ZL50型装载机动臂结构的拓扑优化设计随着工程机械的技术不断发展，装载机在建筑、矿山、港口等领域的使用频率越来越高。
为了提高装载机的工作效率和降低能耗，传统的设计方法已经不能满足现代市场需求，需要借助拓扑优化设计来实现更轻量化、更坚固耐用、更高效率的装载机动臂结构设计。
ZL50型装载机是目前市场上广泛使用的一种装载机，其动臂结构在机械设计中起着至关重要的作用。
动臂结构的设计优化将直接影响装载机的性能和使用寿命。
因此，针对ZL50型装载机动臂结构的拓扑优化设计是值得深入研究的课题。
拓扑优化设计是一种结构设计方法，通过改变零件的材料分布和形状来实现结构的最优布局，达到最优性能的设计目标。
通过拓扑优化设计，可以使装载机动臂在保证强度和刚度的前提下，减少结构重量，提高动臂的工作效率和使用寿命。
在进行ZL50型装载机动臂结构的拓扑优化设计时，首先需要建立动臂的有限元模型，采用计算机辅助设计软件对动臂结构进行分析和优化。
在优化设计过程中，可以设置多种约束条件和设计指标，比如最小重量、最大强度、最小振动等。
在动臂结构的拓扑优化设计中，可以考虑以下几个方面：1.材料的选择：选择优质的轻量化材料，如高强度合金钢或碳纤维复合材料，可以有效减少动臂的重量，提高装载机的工作效率。
2.结构的优化：通过优化动臂的结构布局和形状，可以减少应力集中现象，提高动臂的强度和刚度，延长使用寿命。
3.加强关键部位：在动臂结构的拓扑优化设计中，可以对关键部位进行加强设计，提高其承载能力和抗疲劳性能。
4.减少焊接连接：尽量减少动臂结构中的焊接连接，采用更加紧凑的结构设计，可以降低结构疲劳裂纹的风险，提高装载机的安全性。
通过以上的拓扑优化设计，可以使ZL50型装载机动臂结构在保证强度和刚度的前提下，实现更轻量化、更坚固耐用、更高效率的设计目标。
这不仅能提高装载机的工作效率和使用寿命，还能降低装载机的能耗和维护成本，符合现代市场需求和可持续发展的要求。
一种基于Ishai应力准则的双方向结构拓扑优化方法
第21卷第1期2005年 3月长 沙 交 通 学 院 学 报JOURNAL OF CHAN GSHA COMMUN ICA TIONS UN IV ERSIT Y Vol.21 No.1Mar. 2005 文章编号:1000-9779(2005)01-0021-07一种基于Ishai 应力准则的双方向结构拓扑优化方法傅建林,荣见华,杨振兴(长沙理工大学,湖南长沙 410076)摘 要:在传统的ESO 方法基础上,考虑到Ishai 应力准则对工程结构材料有广泛的适用性,研究了基于Ishai 应力准则的双方向渐进拓扑优化方法。
该方法是对传统方法和目前的双方向法的改进。
算例表明,该方法对桥梁等混凝土结构有广泛的工程应用价值。
关键词:结构优化;Ishai 准则;双方向算法;渐近优化;应力分析中图分类号:TB121 文献标识码:A 收稿日期:2004-05-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(10472016);交通部应用基础研究资助项目(200331982509)作者简介:傅建林(1975—),男,长沙理工大学硕士生. 渐进结构优化方法(Evolutionary Structural Optimization ,简称ESO 法)[1～3]为结构优化提供了一种新途径。
ESO 方法基本概念很简单,即通过把无效或者低效的材料从结构中一步步删除,从而使结构逐渐趋于优化。
特别是,该方法可采用已有的通用有限元分析软件,通过迭代在计算机上实现,算法的通用性好,不仅可解决尺寸优化,还可同时实现形状与拓扑优化(主要包括应力、位移/刚度或临界应力约束问题的优化),而且结构的单元数规模可成千上万。
尽管该方法在收敛性的证明方面有所欠缺,但许多算例已证明ESO 和B ESO 方法在解决实际问题时是非常成功的[1～4]。
对于各向同性材料,ESO 方法通常采用Von Mises 应力(σvm )作为优化准则,即从满尺寸结构中系统地删除σvm 较低的材料来优化结构。
机械系统的结构拓扑优化与设计
机械系统的结构拓扑优化与设计随着科技的不断进步，机械系统的结构拓扑优化与设计在工程领域扮演了至关重要的角色。
它可以帮助工程师确定最佳的结构设计方案，以实现机械系统的高效性、可靠性和经济性。
本文将探讨机械系统的结构拓扑优化与设计的相关概念和方法，以及这些方法的应用和优势。
首先，我们将介绍什么是结构拓扑优化。
结构拓扑优化是一种通过对机械系统的结构进行重新分布或连接，以实现性能优化的方法。
它通过在结构中加入或移除材料，优化应力和重量的分布，从而提高机械系统的刚度和强度。
结构拓扑优化可以应用于各种机械系统，如飞机翼、汽车车身和建筑结构等。
在结构拓扑优化过程中，工程师通常会使用计算机辅助设计（CAD）软件和有限元分析（FEA）工具。
CAD软件可以帮助工程师创建和修改机械系统的几何模型，而FEA工具则可以模拟机械系统在不同载荷下的应力和变形，并评估不同结构设计方案的性能。
通过结合CAD软件和FEA工具，工程师可以快速而准确地优化机械系统的结构设计。
接下来，我们将探讨机械系统结构拓扑优化的一些方法和技术。
常见的方法包括拓扑优化、尺寸优化和混合优化。
拓扑优化是一种通过在设计空间内搜索最佳结构布局的方法。
它通常通过限制某些设计变量的自由度来实现，例如连接位置或材料的分布。
尺寸优化是一种通过调整结构的尺寸来实现性能优化的方法。
它可以通过改变结构的长度、宽度或厚度等参数来优化结构的刚度和强度。
混合优化是一种将拓扑优化和尺寸优化相结合的方法，既考虑结构的布局又考虑结构的尺寸。
机械系统的结构拓扑优化与设计具有许多优势。
首先，它可以提高机械系统的性能和效率。
通过重新分布或连接材料，结构拓扑优化可以减小结构的重量并提高其刚度和强度，从而降低能源消耗和材料成本。
其次，它可以缩短产品开发周期。
通过使用CAD软件和FEA工具进行结构拓扑优化，工程师可以快速生成和评估多个设计方案，并选择最佳的设计方案进行进一步开发和优化。
最后，它可以提高机械系统的可靠性和寿命。
机械设计中的拓扑优化与结构分析
机械设计中的拓扑优化与结构分析近年来，随着科技的不断发展，机械设计领域也取得了长足的进步。
其中，拓扑优化与结构分析成为了机械设计中的重要环节。
本文将从拓扑优化和结构分析两个方面，探讨它们在机械设计中的应用和意义。
一、拓扑优化拓扑优化是指通过对机械结构的形状和材料进行优化，以实现最佳的性能和重量比。
在机械设计中，拓扑优化可以帮助设计师减少材料的使用量，提高结构的刚度和强度，从而达到轻量化和高性能化的目标。
在进行拓扑优化时，首先需要建立结构的有限元模型。
有限元模型是通过将结构离散化为若干个小单元，然后对每个小单元进行力学分析，最终得到整体结构的力学性能。
通过有限元模型，可以对结构进行应力、位移等力学参数的计算和分析。
接下来，通过对有限元模型进行拓扑优化算法的运算，得到最佳的结构形状和材料分布。
拓扑优化算法可以是基于演化算法、优化算法等多种方法。
通过不断迭代和优化，最终得到最优的结构设计。
拓扑优化在机械设计中的应用非常广泛。
例如，在航空航天领域，拓扑优化可以帮助设计师减少飞机的重量，提高其载荷能力和飞行性能；在汽车工业中，拓扑优化可以减少汽车的燃料消耗，提高其燃油经济性和安全性能；在机械制造领域，拓扑优化可以帮助设计师减少机械零件的重量和材料成本，提高其使用寿命和可靠性。
二、结构分析结构分析是指对机械结构进行力学分析，以评估其强度、刚度和稳定性等性能。
在机械设计中，结构分析可以帮助设计师确定结构的合理性，预测结构在工作过程中的受力情况，从而指导设计和改进。
结构分析的基本原理是通过对结构施加一定的载荷，计算结构的应力、位移和变形等力学参数。
常用的结构分析方法包括静力分析、动力分析和热力分析等。
静力分析是最常用的结构分析方法之一。
它通过对结构施加静力载荷，计算结构在静力平衡下的应力和变形。
静力分析可以帮助设计师评估结构的强度和刚度，确定结构的安全性和可靠性。
动力分析是对结构进行动力载荷下的分析。
它可以帮助设计师预测结构在振动、冲击和脉动等动力载荷下的响应和稳定性。
基于Optistruct的结构静动力拓扑优化设计
{
+,-./01 12：
{
$ （ % ） $$ $ " $ $% ! $3 ， ! # 3， …， &
（4）
# ! 为第 ! 阶特征值倒数的加权系数。 其中： 35 %! 静动力联合拓扑优化 对结构进行静力和频率特性的联合拓扑优化， 其 ［ 6］ 目标函数 可以写成： ()*’ # ’# ! ( ! 7 )*+)
・ *.・
& & & & & & & & & & & & & & & & & 航 空 计 算 技 术& & & & & & & & & & & & & & & 第 01 卷
*
图 5" 短对边固支矩形板
拓扑优化前先对结构进行模态分析， 可以得到前 ， ! ! 7 !*+ !*&,89 ， ! & 7 &*+ *..&89 ， !* 7 三阶的固有频率 *5+ &-..89。相应的振型图如图 , （ #） （ $） （ %） 所示： 对薄板进行静力和频率双目标拓扑优化， 目标函 （5） 数如式 所示。经过多次尝试把结构划分为 3’ ( .’
’! 算例
’5 3! 平面薄板静力拓扑优化 一个 &$ C &$(( 的薄板， 厚度 3((， 模型如图 3 所 示， 结构的材料参数如下： 弹性模量为 63$$$<D>， 泊松 比为 $5 %3 ， 密度为 &5 EF G 0( 。一条边的两个端点受简 支约束， 对边的中点处有 3$$9 的沿着边方向作用的 集中力。 将薄板划分为几种尺寸不同的单元， 采用不同的 优化约束， 来比较所得到的不同的优化结果。 由于这 是一个比较简单的优化结构， 采用四节点的板单元模 （3） 拟就可以满足其精度要求。优化的数学模型如式 % 所示： 所示。得到的优化结果比较如图 & 、
机械设计中的结构拓扑优化研究
机械设计中的结构拓扑优化研究随着科技的发展和制造技术的不断进步，机械设计领域对于结构的要求也越来越高。
为了提高机械结构的性能和强度，结构优化成为了一个研究的热点。
在结构优化中，结构拓扑优化是一个重要的研究方向。
本文将从机械设计中的结构拓扑优化入手，介绍其背景和目的，并探讨该领域的研究现状和未来发展方向。
一、背景和目的结构拓扑优化是一种通过重新分配材料和空间来改善结构性能的方法。
在机械设计中，结构的优化可以帮助设计师提高产品的性能、减少材料消耗和成本，并且可以降低产品的重量。
传统的结构设计方法通常由设计师凭经验和感觉完成，这种方法存在很多主观因素，很难保证设计方案的最佳性。
因此，研究者开始探索使用优化算法和计算机模拟来辅助结构设计。
结构拓扑优化是其中一种重要的方法。
通过结构拓扑优化，设计者可以优化结构的拓扑形状，从而最大限度地减少结构的重量和材料消耗，同时确保结构的强度和刚度。
在固定工作载荷下，旨在找到满足设计要求的最佳结构形状，是结构拓扑优化的目标。
二、研究现状目前，结构拓扑优化已经成为机械设计领域的一个研究热点。
研究者们通过数值模拟和优化算法，探索不同的拓扑形状，寻找最优解。
常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
这些算法可以通过迭代优化来得到最优解，但是也面临着计算时间长、计算复杂度高等问题。
同时，研究者们也在不同领域开展了很多案例研究。
例如，有人研究了航空航天领域的机翼结构优化，通过改变翼梁的拓扑形状和布局，减少了结构的重量，并提高了结构的强度和稳定性。
还有人在汽车工业领域进行了车身结构的优化，通过重新设计车身的拓扑形状，实现了轻量化和节能减排的目标。
然而，结构拓扑优化的研究还面临一些挑战。
首先，计算方法和算法需要进一步改进，以提高计算效率和精确度。
其次，结构的优化目标需要根据不同的应用领域和要求进行调整，如考虑多种性能指标的多目标优化问题。
最后，实际制造和成本因素也需要考虑，以确保优化设计的可行性和经济性。
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力，而 +2 为度量结 构 边 界 或 洞 穴 周 围 最 大 应 力 单 元 密集程度的一 个 临 界 比 例 数 （一 般 在 $ C Q P $ C R 间 取 值） 。 如果式 （Q）不成立， 或者 $ 为 $ ，则 不 增 加 任 何 人 工 材料单元，否则增加该 $ 个人工材料单元 （即该人工 材料单元转变为保留材料单元，采用将人工材料单元 的弹性模量 ) * 变为真实材料单元的弹性模量 ) 的方 式来实现结构的单元增加，对称结构有对称性要求） 。 应该注意， 如果式 （Q）不成立， 表明当前结构的边界或 洞穴周围许多单元具 有 非 常 接 近 的 应 力， 即结构的边 界或洞穴周围具有比 较 均 匀 的 应 力 分 布。 此时不增添 单元能减少迭代求解振荡次数，从而缩短优化求解的 时间。 对于实际的工程 结 构， 大部分都要求在多载荷工 况下运行。 （"） 因为不管结构有多少组不同的载荷工况，对每一 给定的网格， 仅 仅 需 要 分 解 总 刚 度 矩 阵 一 次，所 以 带 有多组载荷工况的结构有限元计算量与单载荷工况的
。采
用上述方法开展复杂三维实体结构拓扑优化设计的文 献较少。渐进结构优化法 （ /3,2:05,+8-< 10-:90:-82 ,40565! 7805,+ 6/0@,.，简称 MBN 法） 通 过 将 无 效 的 或 低 效 的
［ K L %］ 。 材料逐步 去 掉，获 得 优 化 拓 扑，方 法 通 用 性 好 ［ K］
（&） ： K=D6@7B =L ,:8?7@A87B .56:@C5? H$$& ， HF FHK L FGH & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &
（&） 当前结构 （黑色区域代表保 留的单元，白色区域代表删除了 的单元） （&） ./01023 345464%7 13/8938/0 （3:0 -:;30 &/0& /05/01023;2% /0*4<0= 060*0231 &2= 3:0 ’6&9> &/0& /05/01023;2% /03&;20= 060*0231） 图! B;% C ! （’） 转换了的结构（浅颜色区域表示 人工材料单元，黑色区域代表保留 的单元， 白色区域代表删除了的单元） （’） ?:0 3/&21@0//0= 345464%7 13/8938/0 （3:0 /0= &/0& /05/01023;2% *&2A*&=0 *&30/;&6 060*0231，3:0 -:;30 &/0& /05/01023;2% /0*4<0= 060*0231 &2= 3:0 ’6&9> &/0& /05/01023;2% /03&;20= 060*0231） 人工材料单元分布示意图
&
低应力材料， 更新设计， 使经过优化后的结构应力水平 变得更均匀。
FJK
三类单元，见图 !’ 浅颜色区 域 表 示 的 人 工 材 料 单 元） 的 重量； 这里!#（ $ # ! ， …， 为与第 # $ 个单元相应 (， ’） $ …， 为与 的设计变量，取 $ 和 ! 两个值； & # !， (， (） !%（ & 第 % & 个单元相应的设计变量，取 $ 和 ! 两个值； ’ 和( 分别为当前 ! ! 、 （如 ! " 集合的元素个数； ! " 可以是空集 初始结构 为 固 定 有 限 元 网 格 都 充 有 材 料 的 情 况 ） ， !! 必须是非空集。 注意， 人工材料单元的可比应力 （即 在 该单元为保留单元的 情 况 下， 与计算获得的该单元应 力相当）可 用 " 似于变密度法中采用的过滤函 #% （类 & 数， 这 里 "， ) * # !$ + , ・ )・ * ( ) 为真实材料单元的弹性模量， -； 人工材料单元的重量为其真 实 材 料 单 元 的 重 量）近 似 得出。
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，开 展 软 件 的 研 制
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工作。本文主要介绍考虑应力要求的三维结构拓扑优 化设计的基本方法、 软件研制的思路和几个典型的机 械结构拓扑的仿真设计。
取值） ， 5 为 当 前 步 被 删 除 的 单 元 数， F23 是 取 整 数 函 数。 增添单元的准则表示为
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（L）
通过增加删除率， 再一次进行有限元分析与单元 删除， 直至达到一个新的稳定状态。 然后继续如此的进 化过程， 直至获得期望的最佳结构。 本文方法中将带有人工材料特性单元的平均 在 优 化 迭 代 几 步 后， F1:&; 应力作为单 元 增 添 的 准 则。 针对围绕结构边界或 洞 穴 的 人 工 材 料 单 元， 将当前结 构满足式 （I） 的 3 个人工材料单元作为潜在的需增加 的候选单元
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