基于拓扑优化的减重孔/减重槽布局优化方法与典型部件构型设计

摘要

轻量化一直是航空航天及汽车工业等领域的零部件结构设计中的重要指标。开孔与开槽是最常用的结构减重方式。通常情况下，设计师根据设计要求粗略地设定减重孔与减重槽的初始构型，反复进行校核并修改尺寸特征，直到获得满足设计要求的设计结果。这种常规的继承改进式的设计方法，主要依赖设计师的经验参考其他类似结构进行布局，无法满足越来越高的设计要求。 拓扑优化方法是在保证结构性能的前提下，获得材料在设计域内的最优布局，可以显著地提高材料的利用率，是一种应用前景十分广阔的工程结构优化设计方法。发展基于拓扑优化的减重孔与减重槽的设计方法，是可行的且具有重要的理论意义和实际应用价值。本文应用拓扑优化方法对基于开孔开槽的零部件结构减重设计进行研究，建立厚板类零部件结构的减重孔与减重槽布局设计方法。基于拓扑优化方法对典型部件飞机起落架扭力臂以及齿轮机构进行创新构型设计。具体研究内容和成果如下： （1）基于拓扑优化的减重孔/减重槽布局优化方法。在结构设计中，开孔与开槽是最常用的减重方法。确定孔与槽的位置主要依赖设计师的经验。为了克服此类设计问题对设计师经验的依赖性，以基于开孔与开槽进行减重设计的厚板件为研究对象，建立了一种基于拓扑优化的减重孔与减重槽布局设计方法。首先，将减重孔与减重槽的布局设计问题转化为不同刚度材料的布局设计问题，建立等效模型；其次，通过映射方法获得具有代表开槽区、开孔区以及未开槽孔区三种厚度的材料布置形式；最后，由材料布局形式建立减重孔与减重槽布局模型。本工作不仅是后续工作的基础，也为基于开孔开槽的结构减重设计提供了一种有效的设计方法。 （2）起落架扭力臂拓扑构型设计。以飞机起落架上的扭力臂为设计对象，借助结构优化设计软件OptiStruct进行扭力臂的创新构型设计，并对设计方案进行力学性能校核分析。首先，分析总结了结构优化设计的基本理论和几种制造工艺约束的数学表达。其次，对扭力臂进行考虑制造工艺约束的拓扑优化设计和基于第一部分的减重孔减重槽布局设计方法的开孔开槽优化设计，以及考虑用点阵单胞填充开槽的减弱区的多层级优化设计。最后，对设计的几种扭力臂构型进行力学性能校核分析。 （3）齿轮机构有限元建模与拓扑优化设计。齿轮传动作为现代复杂机械系统中最常用的传动方式，其有限元建模的合理性关系到整个机械系统结构分析的效率与准确性。齿轮结构的减重设计，对节省材料、减小齿轮系统的转动惯量进而降低无用功耗、提高齿轮系统性能具有重要意义。因此首先，介绍了常用的几种用于连接不同部件的基本装配技术，重点分析了齿轮机构有限元建模方式；其次，以某机载天线座中的齿轮结构为研究对象，在满足使用要求的前提下，应用拓扑优化方法对其进行结构优化设计；最后，对优化后的齿轮机构进行力学性能仿真分析。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 拓扑优化设计介绍

1.2.1 拓扑优化方法

1.2.2 拓扑优化设计应用现状

1.3 本文主要内容

2 基于拓扑优化的减重孔/减重槽布局优化方法

2.1 引言

2.2 减重孔/减重槽布局优化的等效模型

2.3 减重孔/减重槽布局优化设计的求解策略

2.3.1 开槽区域对结构刚度的影响

2.3.2 减重孔/减重槽布局优化设计的求解策略

2.3.3 基于拓扑优化的减重孔/减重槽布局设计流程

2.3.4 参数讨论

2.4 算例分析

2.5 小结

3 起落架扭力臂拓扑构型设计

3.1 引言

3.2 结构优化设计的基础理论

3.2.1 结构优化的数学模型

3.2.2 优化模型求解

3.2.3 制造工艺约束

3.3 面向传统制造的扭力臂拓扑构型设计

3.3.1 考虑制造工艺约束的扭力臂拓扑优化设计

3.3.2 扭力臂减重孔/减重槽布局设计

3.3.3 力学性能校核分析

3.4 基于多层级设计的扭力臂创新构型设计

3.4.1 任意复杂结构点阵单胞填充策略

3.4.2 开槽区域布置点阵单胞的多层级优化设计

3.4.3力学性能校核分析

3.5 小结

4 齿轮机构有限元建模与拓扑优化设计

4.1 引言

4.2 有限元模型装配技术

4.2.1 常用的几种装配连接单元分析

4.2.2 齿轮机构连接方式对比分析

4.3 齿轮轮辐结构拓扑构型设计

4.3.1 拓扑优化有限元模型的建立

4.3.2 拓扑优化模型的建立

4.3.3 拓扑优化结果分析与几何重建

4.4 齿轮机构力学性能校核分析

4.5 小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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