基于ANSYS的空間桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計_圖文

1、基于ANS YS的空間桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計大連理工大學(xué)魏文儒屈福政1引言空間桁架結(jié)構(gòu)由于具有自重輕、造價較低和施工簡單等諸多優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域,包括航空航天、橋梁建筑、車輛,起重機械等。因此設(shè)計初期對桁架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化有著重要的工程實際意義。拓撲優(yōu)化方法有離散體的拓撲優(yōu)化和連續(xù)體的拓撲優(yōu)化2種方法,當前空間桁架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化方法主要是離散體的拓撲優(yōu)化方法,即在已有桿件的基結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上確定桿件的有無,本文針對某型強夯機臂架的空間桁架結(jié)構(gòu),采用連續(xù)體的拓撲優(yōu)化方法,使用ANSYS的拓撲優(yōu)化功能求得其最優(yōu)拓撲形式,完成概念設(shè)計。2建模ANSYS拓撲優(yōu)化功能可以用于求得最優(yōu)結(jié)構(gòu),以獲得最大剛

2、度、最小體積或最大自振頻率。拓撲優(yōu)化的原理是在滿足結(jié)構(gòu)體積減小量的條件下使結(jié)構(gòu)的柔度極小化,極小化的結(jié)構(gòu)柔度實際就是要求結(jié)構(gòu)的剛度最大化,優(yōu)化過程是通過自動改變設(shè)計變量,即單元偽密度( 來實現(xiàn)的。單元偽密度 =0的材料為可以刪除的部分,單元偽密度 =1的材料為保留的部分1,2。ANSYS拓撲優(yōu)化功能,模型中只能有下列單元類型:(1二維平面單元PLANE2和PLANE82,用于平面應(yīng)力或軸對稱問題;(2三維塊單元SOLI D92和SOLI D95;(3殼單元S HELL93。本文研究的空間桁架結(jié)構(gòu)總體尺寸較大(5 8m !5 8m!25m,且作用力都集中在結(jié)構(gòu)的外表面。若采用三維實體單元,盡管建

3、模簡單,但計算量大且對機器配置要求高,故采用殼單元SHELL93,設(shè)定有限元模型各部分的材料屬性,見表1。表1材料屬性參數(shù)數(shù)值密度/(kgmm-37 85!106楊氏模量/(M Pa2 06!105泊松比0 3重力加速度(ms-29 81ANSYS程序只對單元類型編號等于1的單元網(wǎng)格進行拓撲優(yōu)化,對于單元類型編號等于或大于2的單元網(wǎng)格部分不進行拓撲優(yōu)化。所以,在劃分模型網(wǎng)格時,必須確保拓撲優(yōu)化的區(qū)域的單元類型編號為1。模型上實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略,一次仿真整個組合系統(tǒng),另外,不需要推導(dǎo)系統(tǒng)的復(fù)雜微分方程組,直接用ADAM S建立虛擬模型進行分析,大大方便了建模的過程。聯(lián)合仿真方法的應(yīng)用為帶有控制系

4、統(tǒng)的復(fù)雜機械系統(tǒng)設(shè)計提供了新思路,可以實現(xiàn)在加工物理樣機前全面分析機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)綜合作用的仿真效果。參考文獻1M atlab R eferenceM anua lV ersi on6 1 M ath w orks Inc,20012ADAM S R efe rence M anua l V e rsion12 M echanical D yna m ics Inc,20023李勇,陸水平 采用磁力平衡方法的在線動平衡機技術(shù)研究(1:基本原理和結(jié)構(gòu) 微特電機,1990(1: 3#54汪希萱,曾勝 電磁式在線自動平衡系統(tǒng)及其動平衡方法研究 熱能動力工程,2003,18(103:53#575IS

5、 O1925,Ba lanc i ng-V ocabu l ary,1981作者:程峰地址:山西太原中北大學(xué)機電工程學(xué)院航空宇航工程系郵編:030051 優(yōu)化模型根據(jù)與其連接部分結(jié)構(gòu)尺寸條件建立(如圖1,臂架結(jié)構(gòu)頂部采用板結(jié)構(gòu)焊接形式,本文將確定其為非優(yōu)化區(qū)域,板厚為20mm,優(yōu)化區(qū)域是由3個面組成的空間三維連續(xù)體結(jié)構(gòu),板厚為30mm。結(jié)構(gòu)頂部前端垂直載荷40,t結(jié)構(gòu)仰角:81,結(jié)構(gòu)受力示意圖如圖2。圖1優(yōu)化模型圖2結(jié)構(gòu)受力示意圖3工況臂架底部鉸接,采用多工況下(4種工況如表2的線性結(jié)構(gòu)靜力分析方法進行拓撲優(yōu)化,有限元分析模型如圖3。表24種工況受力工況前端受力/kN后端受力/k N約束FxF

6、yFzFxFyFz10-392.40981-1699.10Ux,Uy,Uzx,Uy,Uzx,Uy,Uz4000981-1699.10Ux,Uy,Uz圖3有限元計算模型4拓撲優(yōu)化及結(jié)果ANSYS程序提供了1個專門用于預(yù)定義總體積的拓撲函數(shù),即VOLUM E,它既可作為目標函數(shù),也可以用于約束條件。本文定義目標函數(shù)為MCOMP,VOLUM E減少60%為約束條件,定義目標函數(shù)和約束條件的命令流如下:%TOC OM P,MCOMP,MULT I PLE,4!定義多柔度(4個載荷工況作為拓撲優(yōu)化函數(shù)MCOM PTOVAR,M CO M P,OB J!定義柔度函數(shù)M CO M P作為拓撲優(yōu)化目標TOVA

7、R,VOLUM E,CON,60!總體積VOLUME減少60%TODEF,0,0 001!收斂容差為0 0001TOPI T ER,20,1!最多執(zhí)行20次迭代%ANSYS程序提供2種拓撲優(yōu)化方法:一是優(yōu)化準則法;二是連續(xù)凸函數(shù)尋優(yōu)法。前者只適用于以體積作為約束條件的問題;后者可以用于所有的目標函數(shù)和約束條件的組合問題。由于本文是把體積作為約束條件,故選擇優(yōu)化準則法。優(yōu)化結(jié)果和目標函數(shù)歷程曲線見圖4和圖5。在利用ANSYS進行拓撲優(yōu)化時,經(jīng)過反復(fù)計算比較發(fā)現(xiàn):圖4去除60%材料的優(yōu)化結(jié)果(1結(jié)構(gòu)的板厚對拓撲優(yōu)化結(jié)果影響很小,因此本文采用30mm的板厚。圖5拓撲目標函數(shù)的歷程曲線(2ANSYS進

8、行拓撲優(yōu)化時沒有考慮桿件的長細比,因此為了美觀和滿足桿的長細比及制造工藝要求,可以在優(yōu)化結(jié)果的規(guī)整時增加或更改桿的布置。(3ANSYS進行多工況加權(quán)求和時,加權(quán)系數(shù)可以用自己預(yù)先定義的數(shù)組,也可以取加權(quán)系數(shù)均為工況總數(shù)的倒數(shù),本文取4種工況加權(quán)系數(shù)均為0 25并且加大側(cè)載,優(yōu)化出能承受側(cè)向彎矩的腹桿結(jié)構(gòu)。(4在得到的拓撲優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上,利用APDL命令提取和輸出節(jié)點的坐標,得出各節(jié)桿的節(jié)距,可以實現(xiàn)在滿足一定強度條件下桿的截面尺寸優(yōu)化。5結(jié)束語在空間桁架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計中,利用AN SYS軟件的拓撲優(yōu)化功能,建立三維連續(xù)體的優(yōu)化模型,得到多工況下空間桁架的最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)。通過拓撲優(yōu)化分析,在滿

9、足強度條件的基礎(chǔ)上,確定了空間桁架的節(jié)距,為空間桁架桿件的尺寸優(yōu)化提供概念設(shè)計。實際構(gòu)造空間桁架過程中還要考慮桿的穩(wěn)定性和制作的工藝性,可以根據(jù)桿件的載荷和柔度在拓撲優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計各桿件。參考文獻1劉寅東,卞鋼 拓撲優(yōu)化及ansys二次開發(fā) 船舶力學(xué)學(xué)報,2006,10(22博弈創(chuàng)作室 AN S Y S9 0經(jīng)典產(chǎn)品高級分析技術(shù)與實例詳解 中國水利水電出版社,20053姜冬菊,張子明 桁架結(jié)構(gòu)拓撲和布局優(yōu)化發(fā)展綜述 水利水電科技進展,2006,26(2作者:魏文儒地址:大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院郵編:116023四連桿式帶式制動器的結(jié)構(gòu)與計算中船重工集團第七&四研究所姚化利上海吳涇化工設(shè)計院劉朝陽帶式制動器有多種結(jié)構(gòu)形式,本文介紹基本式四連桿式帶式制動器,其結(jié)構(gòu)原理源于普通帶式制動器,另外給出了具有代表性的2種動力配置結(jié)構(gòu)形式:螺桿動力式和兩段螺桿式。分析了其結(jié)構(gòu)、功能特點和計算方法。1結(jié)構(gòu)與工作原理1 1基本式主要由制動輪、制動帶、擋塊A、擋塊X、連桿1、連桿2、連