基于Optistruct的重型梁结构优化设计.pdf

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1、基于Optistruct的重型梁结构优化设计口余志平1,2口李桂琴口王军1,21．上海大学机电工程与自动化学院上海2000722．上海市机械自动化与机器人重点实验室上海200072摘要：针对重型梁结构的拓扑优化设计，引用了一种基于SIMP变密度插值法的单目标拓扑优化方法。在限定拔模方向的环境下使用Optistruct进行拓扑优化，通过罚函数对相对密度进行惩罚，得到拓扑优化结果。根据优化结果，对梁截面进行二次工艺强化，使刚度、强度、轻量化三者协调统一。关键词：重型梁拓扑优化变密度插值法Optistruct轻量化中图分类号：TH123+．3文献标识码：A文章

2、编号：1000—4998f2014)03—0020—03Abstract：Focusingthedesignwithtopologicaloptimizationforheavybeamstructure，itintroducesanapproachwithsimpletargettopologicaloptimizationthatisbuiltonSIMPvariabledensityinterpolation．ItadoptsHyperMeshtopre-treattheinitialmodelagainsttheworkingconditions

3、andusesOptistruettorealizetopologicaloptimizationundertheenvironmentoflimitedpatterndrawingdirection．n1etopologicaloptimizationwillbeobtainedthroughpenMtyfunctionforpenaltyofrelativedensities．Accordingtooptimizationresults，thebeamsectionisprocessedbydualtechnicalconsolidationsfea

4、turingunifiedharmonizationinrigidity，strengthandlightweight．KeyWords：HeavyBeamTopologicalOptimizationVariableDensityInterpolationOptistructLightWeight梁结构是一种重要的承重构件，在航空、重工、汽不确定(可以是变截车等领域经常要用到，通常这类梁采用长方形、工字型面)，上表面需平整等传统截面，梁的整体重量很大，既浪费材料又不便移(用于安放鞍形托动。从企业降低生产成本和提高自主研发能力的角度架)。梁的功能是两端出

5、发．需要对这类粱结构进行优化设计．使其在满足指可以安放鞍形托架。定的刚度、强度要求外，梁的重量越轻越好E。用于托住水平卧放的传统的结构优化设计凭借设计者的经验或采用类圆柱体(圆柱体直径比的方法制定出产品的初始方案[，然后进行相应的约4200mlTI)。中间静态、动态分析，如果不满足设计参数，则重新修改设支撑面安放在平台上。梁的受力工况是两端总受载荷计方案。这种方法的最终结果可能导致整体强度分布15t，单边受7．5t。要求是梁自重越轻越好(1．5t以不均，材料强度不能达到充分利用，效率低，工作量大。内)，悬臂段变形越小越好(3mm以内)，如图l所示。拓扑优

6、化是结构优化设计的一种．它在给定的截材料尚不确定，可以用铸铝或型材焊接。面形状范围内，以材料分布为优化对象，寻求最佳的材1．2建立模型及优化策略料分布方式[3]。与其它优化方式相比，拓扑优化具有更拓tl-~-gc是以给定截面作为优化空间，所以尽量多的设计自由度，更大的设计空间。AtairOptistruct是选择设计空间比较大的长方形截面。根据设计要求列世界领先的基于有限元的优化工具，广泛应用于产品出了几种可能截面的相关参数(见表1)，其中理论估的概念设计阶段，利用Optistruct中的拓扑优化工具，计最大变形量根据式(1)、式(2)推算得出，但因为忽

7、略对本文中的重型梁进行拓扑优化，得到刚度、强度、重中间凸台而以理想截面计算，所以结果比实际值偏量三者协调的最优效果。大一些，仅用于选择方案时参考。为了达到最佳优化效果，应选择优化空间最大的方案，即初始模型的变形越1模型建立与优化策略选择小越好，去除材料比越大越好，所以根据方案4建立初1．1工况分析始模型(如图2所示)。根据某研究所的应用要求．梁的长度为6000最大挠度的计算：mm，中间支撑面长度在1200mm以内，梁的截面形状=(1)al-Z51上海市重点学科建设资助项目(编号：YO102)截面惯性矩的计算：收稿日期：2013年1O月I圆2014／3机械

8、制造52卷第595期古同皿日吉同压井筒可靠性设计与稳态传热分析口杜伟口刘树林口王