快堆装载机支臂结构动静态性能拓扑优化设计方法

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1、快堆装载机支臂结构的动静态性能拓扑优化设计方法彭骥，谭峰，卫亚斌，殷国富*(四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065)摘要：针对快堆装载机支臂结构的动静态性能和轻量化设计要求，采用有限元法验证了原结构的安全性，提出了一种基于变密度法固体各向同性惩罚微结构（SIMP），通过引入标准化系数建立起将多工况刚度和动态多个低阶关键固有频率归一为组合柔度指数最小的动静态多目标拓扑优化数学模型，并得到了合理的整体Pareto解。分析结果表明，根据拓扑优化结果改进设计的支臂动态性能明显提高，在安全停堆（SSE）工况下最大Tresca应力减小约1

2、0%，结构重量减轻约21.5%，较好地达到了既提高性能又减轻重量的结构优化目标。关键字：装载机支臂变密度法组合柔度指数动静态多目标拓扑优化中图分类号:TL425文献标志码:ADynamic-staticTopologyOptimizationDesignMethodofFastReactorLoaderArmPengJi,TanFeng,WeiYabin,YinGuofu*(SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)A

3、bstract:Aimingatthedynamicandstaticperformanceandlightweightdesignrequirementsofthefastreactorloaderarm,thesafetyoftheoriginalstructurewasverifiedbyfiniteelementanalysis.Solidisotropicmicrostructureswithpenalization(SIMP)ofartificialmaterialsmethodwasproposed.Introducing

4、thenormalizationcoefficient,thedynamicandstaticmulti-objectivetopologyoptimizationmathematicalmodelwasestablishedtocombinethemulti-conditionstiffnessandthedynamickeylow-orderfrequenciesintominimuncombinedcomplianceindex,andtheglobalParetosolutionwasobtained.Theresultssho

5、wedthatthedynamicperformanceoftheredesignedarmbasedonthetopologyoptimizationresultsincreasedgreatlywithadecreasingabout10%ofmaximumTrescastressunderSSEconditionandadecreasingabout21.5%ofweight,wellmeetingthestructureoptimizationgoalofimprovingperformancesandreducingweigh

6、t.Keywords:loaderarm;artificialmaterialsmethod;combinedcomplianceindex;dynamic-staticmulti-objectivetopologyoptimization收稿日期：基金项目:四川省科技支撑计划项目（编号：2014GZ0125、2015GZ0015）作者简介：彭骥（1992-），男，硕士生。研究方向：结构优化设计；结构热、动力学。E-mail:527606653@qq.com*通信联系人E-mail:gfyin@scu.edu.cn网络出版时间:网络出版

7、地址：快堆装载机是用于某新型核电厂中进行燃料组件转运操作的重型核电设备。该装载机支臂作为整机的重要支撑零部件，在不同工况下承受着整个抓取物的重量，其动静力学性能的好坏直接影响整机工作能力和燃料组件运输安全。由于考虑核电设备的特殊安全性，结构设计时过于保守，很少采用轻量化设计理念，使得原设计的装载机过于笨重，性能与重量比很小。目前有关核电设备的大部分文献主要对其结构进行以抗震分析为主的研究，验证原结构的安全性，很少进行优化方面的探索。文献[1-3]均针对典型核电设备进行动静态分析，缺少进行优化方面的研究。因此，针对目前国家大力发展的重型核

8、电设备进行结构优化研究具有一定的探索和工程意义。拓扑优化作为结构优化的重要方法之一，目前在航空航天、汽车等行业应用甚广。Zhu[4]等研究了拓扑优化应用在航空航天业的最新进展，文献[5-7]基于拓扑优化原理