基于拓扑优化的抛载拖车悬梁结构设计.pdf

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1、机械工程师MECHANICALENGlNEER基于拓扑优化的抛载拖车悬梁结构设计张亮。陈玉龙(宜昌测试技术研究所，湖北宜昌443003)摘要：以某大型拖曳水池抛载拖车悬梁为研究对象，摒弃传统经验设计方法，基于拓扑优化进行悬梁结构设计，得出悬梁初步结构，根据型材和板材规格进行单尺寸及组合尺寸优化，得出最优悬梁结构，详细阐述了从概念阶段到最终产品的实现过程，旨在为相似平台结构设计及流程提供指导参考。关键词：设计空间，悬梁．拓扑优化，尺寸优化；最优结构中图分类号：TH122文献标志码：B文章编号：1002—233

2、3(2017)02—0130—03StructuralDesignofLoadRejcctionTrailerBeamBasedontopologicaloptimizationZHANGLiang,CHENYulong(YiehangTestingTechnologyInstitule．Yiehang443003，China)Abstract：Takingtheloadrejectiontrailerbeamofalargetowingtankastheresearchobjeet，akindofelem

3、entalstructureisobtainedbasedontopologicaloptimization．Basedonthespecificationsofshapesandplates，theoptimalstructureofthebeamisobtainedbyoptimizingsinglesizeandcombinedsize．Toprovideguidancereferenceforstructuredesignandprocessofsimilarplatform，therealizin

4、gprocessfromconceptualstagetofinalproductispresented．Keywords：designspace；beam；topologicaloptimization；sizeoptimization；optimalstructure0引言自2l世纪以来，随着国家发展海洋战略的需要，关于海洋领域的探究越来越多，对海洋设备的要求越来越高旧I。为了充分模拟海洋设备在水中运行性能、姿态、工况，为水中装备科研究提供帮助，各类水池的兴建层m不穷。1872年，英国造船学家W．Fro

5、ude为英国海军部建造了世界第一座船模试验水池，1900年，D．W．Taylor为美国建立了第一座自行式拖曳水池，19世纪末，全世界仅有5座试验水池，至1]20世纪末则达到了一百多座I纠，I。我国于1954年在上海建成了第一座试验水池。本文以某大型拖曳水池为研究对象，对其核心组成部分——抛载拖车悬梁展开分析，摒弃传统经验设计方法，采取基于拓扑优化的设计方法计算抛载拖车悬梁的概念结构形式，考虑加T丁艺和制造成本，对优化后抛载拖车悬梁进行详细结构设计，并考核悬梁结构的强度特性，旨在为相似平台结构设计及流程提供指

6、导参考。1计算模型抛载拖车系统是为了模拟抛弃式设备的投放过程，通过钢结构架悬吊在试验厂房下方。本设计中，主要载荷为抛载拖车和被试品自重，受于厂房结构限制，钢结构架分作8m一段，图l所示为抛载拖车系统2段拼合结构形式。传统设计中，跨度梁结构形式大多为等截面阵列型，图1抛载拖车系统除跨度梁中部满足强度要求外，其余部位安全系数远大于许用值，造成了一定材料成本浪费。对于某些重量要求苛刻的设备，传统设计手段很难满足要求，随着拓扑优化的兴起，有效地解决了概念阶段材料分布优化问题。本文抛载拖车单段悬梁设计空间为不大于l5

7、00minX800minx8000mm，建立悬梁概念模型，如图2所示。2计算方法一个产品的设计意味着创新性和+一创造性，设计出满足边界条件的最佳图2抛载拖车单段悬梁设计空间方案即为优化设计，拓扑优化HJ以帮助T程师在概念设计早期阶段跳出思维定式，提供表征设计问题的优化方案112’131。优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。本设计中，设计变量为抛载拖车悬梁概率模型的每个单元密度p，目标函数为质量最小化八工)，约束条件为竖直方向最大变形U≤0．Olmm，则优化数学模型可表述为：Minimize．f

8、60)=minJ'{pl护2，⋯P。)；(1)Subjectto：U(p)≤0．0l；(2)0≤p≤1。(3)对于有限元方程鬣僖J印，其中，K为单元刚度，与材料和结构形状有关，孝为载荷工况下单元发生的形变，F为单元载荷，两边对设计变量p求偏导数娑手描嗜印：娑，(4)op则130}2017年第2期网址-wwW．jxgcs．corn电邮hrbengineer@163com机械工程师MECHANICALENG；NEER