摩擦焊机床身拓扑优化分析

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1、摩擦焊机床身多目标拓扑优化研究3．3床身拓扑优化的材料插值方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．323．3．1均匀化插值方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．323．3．2变密度法插值方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．333．4结构拓扑优化的求解方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．333．5拓扑优化数值不稳定问题及解决方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．353．5．1棋盘格问题与解决方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．353．5．2网格依赖性问

2、题与解决方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．353．6基于密度法的床身拓扑优化模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．363．6．1以床身静刚度最大为优化目标的拓扑优化模型及其求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯373，6．2以床身平均特征值为优化目标的拓扑优化模型及其求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯393．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．39第四章摩擦焊机床身单目标拓扑优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．404．1OptiStruct优化方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3、⋯404．2摩擦焊机床身拓扑优化流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．414．3摩擦焊机床身单目标拓扑设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．424．3．1摩擦焊机床身单目标优化的目标函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯424．3．2床身拓扑优化空间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～434．3-3床身拓扑优化参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．434．3．4床身拓扑优化结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．444．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

4、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．46第五章摩擦焊机床身多目标拓扑优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475．1多目标优化数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．2床身多目标优化求解方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．475．3摩擦焊机床身多目标拓扑优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．495．3．1床身多目标拓扑优化的目标函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49s．3．2床身优化参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．505．4床身优化结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

5、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l5．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．53第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯546．1论文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯546．2迸一步研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5s致i射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

6、⋯⋯．58附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．59硕士学位论文摘要随着电解铝工业的快速发展和国家节能降耗政策的实施，越来越重视改进电解铝生产过程及其附属设备中存在的诸多不足，如电解铝生产中的关键技术装置，预焙阳极导电装置的导电性能因传统焊接技术缺点而产生的耗能和环境污染等问题。正是在这种环境下，被誉为绿色焊接技术的摩擦焊成为首选。专用摩擦焊机是重型机床和锻压机床的有机结合，作为摩擦焊机的基础支撑部件，床身对机床的加工精度、可靠性和经济性有直接的影响。因此，提高床身的刚度

7、，降低质量成为机床设计优化的重要方面。本文详细阐述了结构优化的发展，并深入研究了结构优化方法中的拓扑优化方法。其中包括拓扑优化数学模型的建立，数学模型的求解算法。然后分析对比了各个拓扑优化方法的优缺点，提出改进意见。介绍了拓扑插值问题，并对均匀化方法和基于SIMP的变密度方法及多目标拓扑优化的求解算法进行了研究，应用基于SIMP的变密度法建立床身的刚度最大拓扑优化数学模型，并对数学模型进行求解，推导出基于SlMP的变密度法的床身拓扑优化迭代公式，为后续拓扑优化提供理论基础。以摩擦焊机床身为研究对象，应用A

8、BAQUS有限元分析软件对床身进行静动态分析，获得床身静动态性能，为床身拓扑优化设计提供理论参考。然后在对连续体结构拓扑优化的基本理论和算法研究的基础上，应用SIMP变密度拓扑优化方法以Optistruct有限元软件为平台，输入床身拓扑优化目标函数，以床身体积比为约束，前三阶平均频率为优化目标对床身进行单目标拓扑优化。使床身在原有设计的基础上前三阶平均频率提高6％，体积降低16％。本文对床身进行多目标拓扑优化，建立多目标拓扑优