载物台的优化设计与分析(史云峥)

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1、载物台的优化设计与分析史云峥李洋陈曦任斌尹沈默(机电学院020161)指导教师：隋允康教授叶红玲博士宣东海博士生摘要：连续体结构拓扑优化设计是当前结构优化研究的难点和热点，本文利用北京工业大学工程数值模拟中心开发的基于MSC.Patran与MSC.Nastran软件平台上的连续体结构拓扑优化模块上对载物台进行了拓扑优化，并用Ansys对载物台进行了对比分析计算。对三维实体结构的合理传力路径进行了数值模拟，拓扑优化的实验结果符合工程需要，说明了该软件开发的有效性和可行性。关键词：拓扑优化；载物台；Ansys；MSC.Nastran1引言1.1连续体拓扑的研

2、究背景结构优化按照不同要求与求解难度，通常可划分为四个不同的层次：截面尺寸优化、形状优化、拓扑与布局优化、结构类型与材料的优化。目前构件截面优化的理论已经较成熟，应用已很广泛；形状优化有更大进展，在某些领域内应用比较普遍并取得显著成绩；拓扑优化已成为当前结构优化的研究热点，理论上有较多进展，不论在不连续结构和连续结构方面都有一些较好的方法，但实际应用还不多。与形状优化和截面尺寸优化相比较，拓扑优化的难度最大，它探讨结构构件的相互连接方式，使结构能在满足有关平衡、应力、位移等约束条件下，将外载荷传递到支座，同时使结构的某种状态指标达到最优。1.2关于载物台

3、载物台在工程及日常生活中是很常见的，它的托盘底座为一圆柱体。我们现在希望通过优化软件设计出最优的载物台底座形状。所要做的工作：优化设计该结构。研究方法：利用Ansys软件对块体加载方式进行分析，形成应力应变云图及数据。利用MSC.Nastran建立几何模型，并应用北京工业大学工程数值模拟中心基于MSC.Nastran软件平台上开发的连续体结构拓扑优化模块上对载物台进行了拓扑优化。并对两种结果进行分析。我们是应用于力学实验机设计的载物台，由于设备限制，实验室的力学实验机不能对比较长的构建，比如梁、柱等构件进行加载分析。因此，我们根据北工大实验室张伟老师提供

4、的数据建立模型，模型的长宽高为给定值。载物台要求底面四角固定，上表面中心处加载。设计该部件的目的在于承受托盘所给的自上而下的压力。考虑到实际应用时所承受的压力及设计需要，我们决定以钢为材料建模。2Ansys模型分析2.1建立模型用体建立模型，建立长方体矩形模型，长为2096mm，宽为500mm，高为800mm。模型的材料选择钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为。加载方式为在顶面中间九节点处加数值向下的载荷，大小为：。约束方式为在底面四角处加全约束。网格为对体进行网格划分，得到19151个单元体。Ansys分析计算：进行X、Y、Z三向应力，进

5、而转化成三向主应力；又进行结点位移计算，并显示结果。119图1加载图图2建模及网格划分2.2实验结果及讨论分析2.2.1Ansys数值模拟计算结果显示（1）变形显示：如图4所示为z方向位移云图，由计算得到相关数据，以及由求解出来的数据及变形图可知，变形最大值集中在顶部加载处及底部约束部分，最大值为，如图3位移变形云图所示变形使整个体四角约束处向里凹陷。表1位移变形最大值节点号16033471133位移值0.55129E-07-0.14918E-06-0.48750E-062）应力显示：如图4所示为z方向应力云图。由变形云图所示，危险点为顶部中心加载位置，

6、以及底部约束点。也就是说在这些部位有可能出现破坏等危险形势，所以在设计中应当加固。图5MSC/Patran几何模型图4Z方向应力云图2.2.2Ansys结果分析根据表格数据和变形云图所示，危险点为顶部中心加载位置，以及底部约束点。也就是说在这些部位有可能出现破坏等危险形势，所以在设计中应当加固。3MSC.Nastran模型分析1193.1几何模型建立如图5所示为有加载和约束的几何模型图。建模方案与Ansys相同，单元数为32×8×10个，采用8节点实体单元建模，许用应力为200MPa（加载在中心点处）。3.2拓扑优化参数设置在进行完主菜单选择之后，就进入

7、主窗口菜单选择界面。因为有限元模型已经在MSC.Nastran软件平台上建立，因此主窗口的作用是对建立的有限元模型进行优化分析。首先在拓扑优化研究对象选项(Object)中选择三维实体(Solid)为优化类型。点击TranslationParameter…按钮，弹出定义过滤半径和收敛精度的界面，在此界面中用户可以根据优化模型自由定义，输入数据。定义收敛精度为0.001。一般情况下，过滤半径定义为单元对角线节点之间长度的值，即过滤半径为121mm。点击SelectLoadCases…按钮，弹出选择工况界面，在此界面中完成工况选择，我们选择一种工况为Load

8、case1。点击DisplacementConstraints…按钮，弹出定义位