基于ANSYS的空间桁架结构拓扑优化设计
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( 3) ANSYS进行多工况加权求和时, 加权系 数可以用自己预先定义的数组, 也可以取加权 系 数均为工况总数的倒数, 本文取 4 种工况加权 系 数均为 0 25并且加大侧载, 优化出能承受侧向弯 矩的腹杆结构。
( 4) 在 得 到的 拓 扑优 化 结 果基 础 上, 利 用 APDL 命令提取和输出节点的坐标, 得出各节杆的 节距, 可以实现在满足一 定强度条件下杆的截 面 尺寸优化。
2 建模
AN SY S 拓扑 优化 功能 可以 用 于求 得 最 优结 构 , 以获得最大刚度、最小体积或最大 自振频率。拓 扑优化的原理是在满足结构体积减小量的条件 下 使结构的柔度极小化, 极 小化的结构柔度实际 就 是要求结构的刚度最大化, 优化过程是通过自 动 改变设计变量, 即单元伪密度 ( ) 来实现的。单 元伪密度 = 0的材料为可以删除的部分, 单元伪 密度 = 1的材料为保留的部分 [ 1, 2] 。
作 者: 魏文儒 地 址: 大连理工大学机械工程学院 邮 编: 116023
四连杆式带式制动器的结构与计算
中船重工集团第七 & 四研究所 姚化利 上海吴泾化工设计院 刘朝阳
带式制动器有多种结构形式, 本文介绍基本 式四连杆式带式制动器, 其结构原理源于普通 带 式制动器, 另外给出了具有代表 性的 2种动力 配 置结构形式: 螺杆动力式和两段螺 杆式。分析 了 其结构、功能特点和计算方法。
4 汪希萱, 曾胜 电磁式在线自动平衡系统及其动平衡方 法研究 热能动力工程, 2003, 18 ( 103): 53# 57
5 ISO 1925, Ba lanc ing - V ocabu lary, 1981
作 者: 程 峰 地 址: 山西太原中北大学机电工程学院航空宇航工程系 邮 编: 030051
图 3 有限元计算模型 起重运输机械 2008 ( 7)
图 4 去除 60% 材料的优化结果
( 1) 结构的 板厚对 拓扑 优化结 果影 响很 小, 因此本文采用 30 mm 的板厚。
# 33 #
图 5 拓扑目标函数的历程曲线
( 2) ANSYS进行拓扑优化时没有考虑杆件的 长细比, 因此为了美观和 满足杆的长细比及制 造 工艺要求, 可以在优化结 果的规整时增加或更 改 杆的布置。
5 结束语
在空间桁架结构的拓扑优化设计中, 利用 AN SYS软件的拓扑优化功能, 建立三维连续体的优化 模型, 得到多工况下空间桁架的最优拓扑结构。
通过拓扑优 化分析, 在满足强 度条件的 基础 上, 确定了空间桁架的节距, 为空间桁架 杆件的 尺寸优化提供概念设 计。实际构造空间桁 架过程 中还要考虑杆的稳定 性和制作的工艺性, 可以根 据杆件的载荷和柔度在拓扑优化结果的基础上设 计各杆件。
% TOCOM P, MCOMP, MULT IPLE, 4! 定义多 柔 度 ( 4 个 载 荷 工况 ) 作 为 拓扑 优 化 函 数 MCOM P TOVAR, M COM P, OB J ! 定义柔度函数 M COM P 作为拓扑优化目标 TOVAR, VOLUM E, CON, 60 ! 总体积 VOLUME 减少 60% TODEF, 0, 0 001 ! 收敛容差为 0 0001 TOP ITER, 20, 1 ! 最多执行 20次迭代 % ANSYS程序提供 2 种拓扑优化方法: 一是优 化准则法; 二是连续凸函数寻 优法。前者 只适用 于以体积作为约束条 件的问题; 后者可以 用于所 有的目标函数和约束 条件的组合问题。由 于本文 是把体积作为约束条件, 故选择优化准则法。 优化结果和目标函数历程曲线见图 4和图 5。 在利用 ANSYS进行拓扑优化时, 经过反复计算比 较发现:
图 1 优化模型
图 2 结构受力示意图
3 工况
臂架底部铰接, 采用多工况下 ( 4种工况如表 2) 的线性结构静力分析方法进行拓扑优化, 有限 元分析模型如图 3。
表 2 4种工况受力
工况
前端受力 /kN
后端受力 / kN 约束
Fx
Fy
Fz
Fx
Fy
Fz
1 0 - 392. 4
0
981 - 1 699. 1 0 Ux, Uy, Uz
参考文献 1 刘寅东, 卞钢 拓扑优化及 ansys二次开 发 船 舶力学
学报, 2006, 10 ( 2) 2 博弈创作室 AN SY S9 0经 典产 品高级 分析 技术 与实例
详解 中国水利水电出版社, 2005 3 姜冬菊, 张子明 桁架结构拓扑 和布局优化 发展综述
水利水电科技进展, 2006, 26 ( 2)
ANSYS拓扑优化功能, 模型中只能有下 列单 元类型:
( 1) 二维平面单元 PLANE2和 PLANE82, 用 于平面应力或轴对称问题;
( 2) 三维块单元 SOL ID92和 SOL ID95; ( 3) 壳单元 SHELL93。 本文研究的空间桁架结构总体尺寸较大 ( 5 8 m ! 5 8m ! 25 m ), 且作用力都集中在结构的外表面。 若采用三维实体单元, 尽管建模简单, 但计算量大 且对机器配置要求高, 故采用壳单元 SHELL93, 设 定有限元模型各部分的材料属性, 见表 1。
大连理工大学 魏文儒 屈福政
1 引言
空间桁架结构由 于具有自重轻、造价较低 和 施工简单等诸多优点, 广泛应用于各种工程领域, 包括航 空 航天、桥梁 建 筑、车 辆, 起重 机 械等。 因此设计初期对桁架结构进行拓扑优化有着重 要 的工程实际意义。
拓扑优化方法有离散体的拓 扑优化和连续 体 的拓扑优化 2种方法, 当前 空间桁架结构的拓 扑 优化方法主要是离散体的拓扑优 化方法, 即在 已 有杆件的基结构基础上确定杆件 的有无, 本文 针 对某型强夯机臂架的空间桁架结 构, 采用连续 体 的拓扑优化方法, 使用 ANSYS的拓扑优化功能求 得其最优拓扑形式, 完成概念设计。
?扑优化方法有离散体的?扑优化和连续体的?扑优化2种方法当前空间桁架结构的?扑优化方法主要是离散体的?扑优化方法即在已有杆件的基结构基础上确定杆件的有无本文针对某型强夯机臂架的空间桁架结构采用连续体的?扑优化方法使用ansys的?扑优化功能求得其最优?扑形式完成概念设计
基于 ANSYS的空间桁架结构拓扑优化设计
模型上实现复杂的控制策略, 一次仿真整个组 合 系统, 另外, 不需要推导系统的复杂微分方程组, 直接用 ADAM S建立虚拟模型进行分析, 大大方便 了建模的过程。联合仿真 方法的应用为带有控 制 系统的复杂机械系统设计提供了 新思路, 可以 实 现在加工物理样机前全面分析机械系统和控制 系 统综合作用的仿真效果。
表 1 材料属性
参数
数值
密度 /( kg∀ mm- 3 ) 杨氏模量 /(M Pa)
泊松比
7 85 ! 106 2 06 ! 105
03
重力加速度 ( m∀ s- 2 )
9 81
ANSYS程序只对单元类型编号等于 1 的单元 网格进行拓扑优化, 对于单元类型编号等 于或大 于 2的单元网 格部分不进行拓 扑优化。所以, 在 划分模型网格时, 必须确保拓扑优化的区 域的单 元类型编号为 1。
参考文献 1 M atlab R eferenceM anua lV ersion 6 1 M athw orks Inc, 2001
# 32 #
2 ADAM S R efe rence M anua l V e rsion 12 M echanical D ynam ics Inc, 2002
3 李勇, 陆水平 采用磁力平衡方法的在线动平衡机技术 研究 ( 1) : 基 本 原理 和 结 构 微特 电 机, 1990 ( 1 ): 3# 5
1 结构与工作原理
1 1 基本式 主要由制动轮、制动带、挡块 A、挡块 X、连
杆 1、连杆 2、连杆 3等组成 (见图 1), 制动轮安 装在主机转动轴上, 制动 带的两端分别与相应 的 动力杠杆机构铰接, 并径向环绕制 动轮, 通过 动 力杠杆机构的动作, 使制 动带环抱接触并压紧 在
# 34 #
起重运输 机械 2008 ( 7)
优化模型根据与其连接部分结构尺寸条件 建 立 (如图 1) , 臂架结构顶部采用板结构焊接形式, 本文将确定其为非优化区域, 板厚为 20 mm, 优化 区域是由 3 个面组成的空间三维连 续体结构, 板 厚为 30 mm。
结构顶部前端垂直载荷 40 ,t 结构仰角: 81∃, 结构受力示意图如图 2。
制动轮上, 产生制动力矩。 假如制动轮逆时针旋转, P 锁定, C 点变成固
图 1 基本式 1 制动轮 2 制动带 3 挡块 A 4 挡块 X
5 连杆 1 6 连杆 2 7 连杆 3 起重运输 机械 2008 ( 7)
2 0 - 3 790. 4 1 015. 6 981 - 1 699. 1 0 Ux, Uy, Uz
3 0 - 3 790. 4 1 015. 6 981 - 1 699. 1 0 Ux, Uy - 1 699. 1 0 Ux, Uy, Uz
4 拓扑优化及结果
ANSYS程序提供了 1个专门用于 预定义总体 积的拓扑函数, 即 VOLUM E, 它既可作为 目标函 数, 也可以用于约束条件。本文定义目标 函数为 MCOMP, VOLUM E减少 60% 为约束条件, 定义目 标函数和约束条件的命令流如下:
( 4) 在 得 到的 拓 扑优 化 结 果基 础 上, 利 用 APDL 命令提取和输出节点的坐标, 得出各节杆的 节距, 可以实现在满足一 定强度条件下杆的截 面 尺寸优化。
2 建模
AN SY S 拓扑 优化 功能 可以 用 于求 得 最 优结 构 , 以获得最大刚度、最小体积或最大 自振频率。拓 扑优化的原理是在满足结构体积减小量的条件 下 使结构的柔度极小化, 极 小化的结构柔度实际 就 是要求结构的刚度最大化, 优化过程是通过自 动 改变设计变量, 即单元伪密度 ( ) 来实现的。单 元伪密度 = 0的材料为可以删除的部分, 单元伪 密度 = 1的材料为保留的部分 [ 1, 2] 。
作 者: 魏文儒 地 址: 大连理工大学机械工程学院 邮 编: 116023
四连杆式带式制动器的结构与计算
中船重工集团第七 & 四研究所 姚化利 上海吴泾化工设计院 刘朝阳
带式制动器有多种结构形式, 本文介绍基本 式四连杆式带式制动器, 其结构原理源于普通 带 式制动器, 另外给出了具有代表 性的 2种动力 配 置结构形式: 螺杆动力式和两段螺 杆式。分析 了 其结构、功能特点和计算方法。
4 汪希萱, 曾胜 电磁式在线自动平衡系统及其动平衡方 法研究 热能动力工程, 2003, 18 ( 103): 53# 57
5 ISO 1925, Ba lanc ing - V ocabu lary, 1981
作 者: 程 峰 地 址: 山西太原中北大学机电工程学院航空宇航工程系 邮 编: 030051
图 3 有限元计算模型 起重运输机械 2008 ( 7)
图 4 去除 60% 材料的优化结果
( 1) 结构的 板厚对 拓扑 优化结 果影 响很 小, 因此本文采用 30 mm 的板厚。
# 33 #
图 5 拓扑目标函数的历程曲线
( 2) ANSYS进行拓扑优化时没有考虑杆件的 长细比, 因此为了美观和 满足杆的长细比及制 造 工艺要求, 可以在优化结 果的规整时增加或更 改 杆的布置。
5 结束语
在空间桁架结构的拓扑优化设计中, 利用 AN SYS软件的拓扑优化功能, 建立三维连续体的优化 模型, 得到多工况下空间桁架的最优拓扑结构。
通过拓扑优 化分析, 在满足强 度条件的 基础 上, 确定了空间桁架的节距, 为空间桁架 杆件的 尺寸优化提供概念设 计。实际构造空间桁 架过程 中还要考虑杆的稳定 性和制作的工艺性, 可以根 据杆件的载荷和柔度在拓扑优化结果的基础上设 计各杆件。
% TOCOM P, MCOMP, MULT IPLE, 4! 定义多 柔 度 ( 4 个 载 荷 工况 ) 作 为 拓扑 优 化 函 数 MCOM P TOVAR, M COM P, OB J ! 定义柔度函数 M COM P 作为拓扑优化目标 TOVAR, VOLUM E, CON, 60 ! 总体积 VOLUME 减少 60% TODEF, 0, 0 001 ! 收敛容差为 0 0001 TOP ITER, 20, 1 ! 最多执行 20次迭代 % ANSYS程序提供 2 种拓扑优化方法: 一是优 化准则法; 二是连续凸函数寻 优法。前者 只适用 于以体积作为约束条 件的问题; 后者可以 用于所 有的目标函数和约束 条件的组合问题。由 于本文 是把体积作为约束条件, 故选择优化准则法。 优化结果和目标函数历程曲线见图 4和图 5。 在利用 ANSYS进行拓扑优化时, 经过反复计算比 较发现:
图 1 优化模型
图 2 结构受力示意图
3 工况
臂架底部铰接, 采用多工况下 ( 4种工况如表 2) 的线性结构静力分析方法进行拓扑优化, 有限 元分析模型如图 3。
表 2 4种工况受力
工况
前端受力 /kN
后端受力 / kN 约束
Fx
Fy
Fz
Fx
Fy
Fz
1 0 - 392. 4
0
981 - 1 699. 1 0 Ux, Uy, Uz
参考文献 1 刘寅东, 卞钢 拓扑优化及 ansys二次开 发 船 舶力学
学报, 2006, 10 ( 2) 2 博弈创作室 AN SY S9 0经 典产 品高级 分析 技术 与实例
详解 中国水利水电出版社, 2005 3 姜冬菊, 张子明 桁架结构拓扑 和布局优化 发展综述
水利水电科技进展, 2006, 26 ( 2)
ANSYS拓扑优化功能, 模型中只能有下 列单 元类型:
( 1) 二维平面单元 PLANE2和 PLANE82, 用 于平面应力或轴对称问题;
( 2) 三维块单元 SOL ID92和 SOL ID95; ( 3) 壳单元 SHELL93。 本文研究的空间桁架结构总体尺寸较大 ( 5 8 m ! 5 8m ! 25 m ), 且作用力都集中在结构的外表面。 若采用三维实体单元, 尽管建模简单, 但计算量大 且对机器配置要求高, 故采用壳单元 SHELL93, 设 定有限元模型各部分的材料属性, 见表 1。
大连理工大学 魏文儒 屈福政
1 引言
空间桁架结构由 于具有自重轻、造价较低 和 施工简单等诸多优点, 广泛应用于各种工程领域, 包括航 空 航天、桥梁 建 筑、车 辆, 起重 机 械等。 因此设计初期对桁架结构进行拓扑优化有着重 要 的工程实际意义。
拓扑优化方法有离散体的拓 扑优化和连续 体 的拓扑优化 2种方法, 当前 空间桁架结构的拓 扑 优化方法主要是离散体的拓扑优 化方法, 即在 已 有杆件的基结构基础上确定杆件 的有无, 本文 针 对某型强夯机臂架的空间桁架结 构, 采用连续 体 的拓扑优化方法, 使用 ANSYS的拓扑优化功能求 得其最优拓扑形式, 完成概念设计。
?扑优化方法有离散体的?扑优化和连续体的?扑优化2种方法当前空间桁架结构的?扑优化方法主要是离散体的?扑优化方法即在已有杆件的基结构基础上确定杆件的有无本文针对某型强夯机臂架的空间桁架结构采用连续体的?扑优化方法使用ansys的?扑优化功能求得其最优?扑形式完成概念设计
基于 ANSYS的空间桁架结构拓扑优化设计
模型上实现复杂的控制策略, 一次仿真整个组 合 系统, 另外, 不需要推导系统的复杂微分方程组, 直接用 ADAM S建立虚拟模型进行分析, 大大方便 了建模的过程。联合仿真 方法的应用为带有控 制 系统的复杂机械系统设计提供了 新思路, 可以 实 现在加工物理样机前全面分析机械系统和控制 系 统综合作用的仿真效果。
表 1 材料属性
参数
数值
密度 /( kg∀ mm- 3 ) 杨氏模量 /(M Pa)
泊松比
7 85 ! 106 2 06 ! 105
03
重力加速度 ( m∀ s- 2 )
9 81
ANSYS程序只对单元类型编号等于 1 的单元 网格进行拓扑优化, 对于单元类型编号等 于或大 于 2的单元网 格部分不进行拓 扑优化。所以, 在 划分模型网格时, 必须确保拓扑优化的区 域的单 元类型编号为 1。
参考文献 1 M atlab R eferenceM anua lV ersion 6 1 M athw orks Inc, 2001
# 32 #
2 ADAM S R efe rence M anua l V e rsion 12 M echanical D ynam ics Inc, 2002
3 李勇, 陆水平 采用磁力平衡方法的在线动平衡机技术 研究 ( 1) : 基 本 原理 和 结 构 微特 电 机, 1990 ( 1 ): 3# 5
1 结构与工作原理
1 1 基本式 主要由制动轮、制动带、挡块 A、挡块 X、连
杆 1、连杆 2、连杆 3等组成 (见图 1), 制动轮安 装在主机转动轴上, 制动 带的两端分别与相应 的 动力杠杆机构铰接, 并径向环绕制 动轮, 通过 动 力杠杆机构的动作, 使制 动带环抱接触并压紧 在
# 34 #
起重运输 机械 2008 ( 7)
优化模型根据与其连接部分结构尺寸条件 建 立 (如图 1) , 臂架结构顶部采用板结构焊接形式, 本文将确定其为非优化区域, 板厚为 20 mm, 优化 区域是由 3 个面组成的空间三维连 续体结构, 板 厚为 30 mm。
结构顶部前端垂直载荷 40 ,t 结构仰角: 81∃, 结构受力示意图如图 2。
制动轮上, 产生制动力矩。 假如制动轮逆时针旋转, P 锁定, C 点变成固
图 1 基本式 1 制动轮 2 制动带 3 挡块 A 4 挡块 X
5 连杆 1 6 连杆 2 7 连杆 3 起重运输 机械 2008 ( 7)
2 0 - 3 790. 4 1 015. 6 981 - 1 699. 1 0 Ux, Uy, Uz
3 0 - 3 790. 4 1 015. 6 981 - 1 699. 1 0 Ux, Uy - 1 699. 1 0 Ux, Uy, Uz
4 拓扑优化及结果
ANSYS程序提供了 1个专门用于 预定义总体 积的拓扑函数, 即 VOLUM E, 它既可作为 目标函 数, 也可以用于约束条件。本文定义目标 函数为 MCOMP, VOLUM E减少 60% 为约束条件, 定义目 标函数和约束条件的命令流如下: