动态结构轻量化技术及在支撑结构设计中的应用研究

摘要

“节能环保”日益成为全社会关注的焦点。用更小的消耗，产生更多的效用成为制造业追求的目标，轻量化技术因此也逐渐受到国内外制造业的重视。轻量化技术对于减少钢材消耗以及相应生产、运输等环节的能源消耗，降低作业过程中的能耗与废气排放、降低噪声等都具有直接影响，节能减耗的潜力巨大。特别是近年来，随着可持续绿色发展道路的提出，轻量化将成为目前主要发展技术方向之一。
　　为了进一步探究动态结构轻量化技术及其在支撑结构中的应用，对某型船载支撑设备中的固定基座进行了详细的轻量化设计与相应的动态评价。论文的主要研究内容如下：
　　（1）系统地论述了轻量化技术中的拓扑优化与尺寸优化技术。其中主要归纳总结了拓扑优化和尺寸优化的基本理论和方法，并在均匀化法、变密度法、以及渐进结构优化方法的基础上，介绍了拓扑优化方法的数学模型，实施步骤等，并对每一种方法的特点做了比较分析，给出各自的优缺点。
　　（2）详细地研究了船载支撑设备的环境因素评价方法（抗冲击评价法），并依据其计算理论将其归纳为3类：等效静力法、频域分析法和时域分析法。针对上述3类方法，分别研究了各方法的基本理论，并分析了各方法的优缺点及适用范围。
　　（3）以某型船载支撑设备中的固定基座为例，在有限元软件HyperWorks平台上，建立固定基座有限元分析模型，采用变密度法对固定基座进行拓扑优化；在拓扑优化基础上，再以变厚度法对固定基座进行尺寸优化，并对优化后的固定基座进行模型重构。
　　（4）以有限元软件ANSYS为研究平台，先根据抗冲击评价方法中的动力设计分析法对支撑结构轻量化模型进行环境因素评价分析；再利用有限元仿真方法对其进行工作因素评价分析，根据仿真结果，提取应力应变云图进行对比分析，在结构强度、刚度方面对轻量化结果进行评价。
　　通过上述研究，论文归纳总结了轻量化基本理论和方法，提出了一套包括拓扑优化、尺寸优化及相关评价方法的切实可行的轻量化技术。

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引言

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 轻量化技术研究现状

1.3 本文主要研究工作

2 轻量化技术基本理论

2.1 拓扑优化

2.2 尺寸优化

2.3 本章小结

3 支撑结构的轻量化设计

3.1 引言

3.2 固定基座初始模型

3.3 固定基座轻量化设计

3.4 固定基座模型重构

3.5 本章小结

4 支撑结构轻量化重构模型评价

4.1 船载支撑结构环境因素评价方法

4.2 固定基座重构模型环境因素评价

4.3 固定基座重构模型工作因素评价

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 研究展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论著与参与的科研项目