升降辊床连杆摇臂结构拓扑优化设计
结构拓扑优化方法在机械工程中的应用研究
结构拓扑优化方法在机械工程中的应用研究引言：机械工程是一门重要的学科，广泛应用于各个领域。
为了提高机械结构的性能和效率，结构拓扑优化方法被引入并得到了广泛应用。
本文主要探讨结构拓扑优化方法在机械工程中的应用研究，通过分析一些案例，展示其在优化设计中的重要性和有效性。
一、结构拓扑优化方法的概念和原理结构拓扑优化方法是通过调整物体内部的材料分布，以最小化结构的重量或最大化结构的刚度等性能为目标，优化结构的拓扑形态。
其核心思想是根据结构的受力情况，通过增加或减少材料在空间中的分布来改变结构的形态。
运用数学优化理论和有限元方法，结构拓扑优化方法可以通过迭代求解过程得到最佳设计方案。
二、结构拓扑优化方法在航空工程中的应用研究航空工程是一个复杂的工程领域，对于结构的重量和性能要求非常高。
利用结构拓扑优化方法，在航空工程中可以实现结构的轻量化设计，提高飞机的性能和燃油效率。
通过优化设计，可以发现一些有效的结构形态和材料组合，使得飞机在保持合理强度的前提下，减少结构重量，提高载荷能力。
三、结构拓扑优化方法在汽车工程中的应用研究汽车工程对于节能环保和安全性能的要求日益提高。
结构拓扑优化方法可以应用于汽车车身的设计中，通过优化材料分布和结构形态，减少车身重量，降低油耗，提高车辆的能源利用率。
同时，结构优化也可以提高汽车的碰撞安全性能，提高车辆的可靠性和耐久性。
四、结构拓扑优化方法在机械设备中的应用研究在机械设备的设计中，结构的轻量化和性能的提高是重要的目标。
通过结构拓扑优化方法，可以有效降低机械设备的质量并提高其性能。
例如，使用拓扑优化方法对一个电动机的结构进行优化设计，可以找到合适的材料和形态，提高电机的输出功率和效率，使得电机性能更加优越。
五、结构拓扑优化方法的挑战与展望尽管结构拓扑优化方法在机械工程中的应用前景广阔，但仍然存在一些挑战。
首先，优化过程的计算复杂度较高，需要大量的计算资源和时间。
其次，优化结果受到初始设计和约束条件的限制，可能无法找到全局最优解。
一种汽车控制臂拓扑优化方法研究
一种汽车控制臂拓扑优化方法研究作者：毛春升来源：《时代汽车》 2017年第15期摘要：本文探索了一种基于拓扑优化技术原理，在计算机软件环境中采用变密度法( SIMP)对汽车控制臂结构进行了拓扑优化设计。
优化结果既为控制臂结构设计提供了最优化的重量，又考虑了加工制造的可行性。
关键词：结构设计；拓扑优化；变密度法；轻量化1引言汽车零件的结构优化设计主要包括尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化四个方面，其目的是利用最少的材料和价格，兼顾实现零件结构的各项性能最佳。
拓扑优化是进行零部件结构创新设计最有效的方法之一。
拓扑优化的结果可以指引工程师更好的去了解产品的结构和功能特征以及设计结构和最优的结构材料分布方案。
工程师也可以根据拓扑优化结果，有针对性地对结构的全局或某一具体位置进行进一步的优化设计。
特别在当今的许多产品设计的概念阶段，仅仅凭借工程师的经验和想象进行设计是远远不够的，因此结合拓扑优化技术，工程师可以在初期阶段就可以设计出更合理的结构。
拓扑优化的原理形成已经经历了一百多年了，但直到近些年计算机软件技术的迅速发展，又加上汽车轻量化日益增加的设计需求，拓扑优化结合专业计算机软件在汽车零部件设计中才逐渐体现出广泛的应用价值。
2汽车控制臂模型的建立当今麦弗逊悬架控制臂的结构比过去不仅几何结构复杂的多，且通过不同工艺加工而成。
同时用户对车辆的性能要求更加苛刻因此对控制臂结构的静态特性和动态特性的要求也日益提升。
汽车控制臂是底盘悬架中的导向元件，它的尺寸影响着悬架的操控性，重量影响着悬架的平顺性，在满足悬架系统结构安全和耐久的前提下，通过优化控制臂的结构，使其尽可能轻量化显得尤为重要。
2.1 控制臂模型建立及有限元法的分析步骤汽车控制臂属于有限元法中结构复杂的求解模型，在HyperMesh环境可以得到满足工程精度需要的求解结果。
结合控制臂的结构特点，其模型采用有限元法计算解答的环节可以规划为下列步骤：(1)选取求解问题的力学模型；(2)利用适当的单元对模型结构进行离散化；(3)假定单元位移函数；(4)分析单元的力学特性(5)整体刚度矩阵划分为单元刚度矩阵组成；(6)考虑模型结构的约束条件；(7)求解结构的平衡方程组；(8)计算单元的各种结果（位移，应力，应变等）。
基于拓扑优化的泵车臂架外置连杆设计
［收稿日期］2014-08-04［通讯地址］陈鹏，江苏省徐州市徐州徐工施维英机械有限公司技术办基于拓扑优化的泵车臂架外置连杆设计王中昊，倪海敏，陈 宝（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221000）［摘要］根据混凝土泵车的布料范围，应用刚体动力学求解全工况下臂架连杆的铰点力及与周围结构件的位置关系，建立连杆的简化有限元模型；基于拓扑优化的方法，以多工况下结构平均刚度最大化为目标、结构轻量化为约束条件，建立优化模型；利用HyperWorks 软件中的OptiStruct 模块对外置连杆进行优化设计和校核。
［关键词］混凝土泵车；外置连杆；刚体动力学；拓扑优化［中图分类号］TU64 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2014）11-0092-05Externally installed connecting rod of truck -mounted concrete pump designbased on topology optimizationWANG Zhong -hao ，NI Hai -min ，CHEN Bao混凝土泵车臂架系统由多节钢结构臂架和连杆、混凝土输送管及油缸等组成，根据臂架折叠方式的不同，可以分为R 型臂架、Z 型臂架以及综合的RZ 型臂架（主要应用于大型泵车臂架）。
臂架、连杆和油缸形成臂架连杆机构，油缸驱动臂架在各种复杂工况下工作。
根据连杆与臂架位置关系，连杆分为内置连杆和外置连杆，外置连杆（如图1）的连接方式取消了臂架端部的U 型板，使得臂架轻量化并大大加强了臂头局部刚度，同时外置连杆结构简单、工艺方便，已成为目前设计的 主流。
本文针对43m 泵车外置连杆进行分析，该车臂图1 泵车臂架及其外置连杆模型连杆1连杆2连杆3连杆4连杆5连杆6连杆7连杆8aabbccdd架为5节臂结构，折叠形式为RZ 型，臂架展开姿态如图1所示。
首先应用刚体动力学求解了全工况下典型连杆的铰点力及周围结构件的位置关系［1］，建立了简化的连杆有限云模型，引用拓扑优化的设计方法［2-4］，以多工况下结构的刚度最大化为目标，结构轻量化为约束条件，建立优化模型，对外置连杆进行优化设计。
基于拓扑优化和骨架提取的杆系结构设计方法
周奇 才 ， 吴青龙 ， 熊肖磊
（ 同 济 大学 机 械 与 能 源工 程 学 院 ， 上海 ２ ０ １ ８ ０ ４ ）
摘要 ：以二值图像细化算法为基础 ， 提 出了基于有 限单 元 ８ 一邻域 网格模 型的骨架 提取算法 ． 通过 Ｓ Ｋ Ｏ （ Ｓ ｏ ｆ ｔ Ｋｉ ｌ ｌ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 拓扑优化方法获得 连续 体拓扑优化 结果 ． 应 用网格模 型骨架 提取算 法 ， 提取拓扑 优化模 型的 网格 骨架 ， 找到反 映拓扑结构 特征的传力关键点 ， 再基 于传力关键点连 接杆件形 成杆系结 构． 以该方法得 到 的杆系结构 具
ａ ｎ ｄ ｅ ｖ ｅ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｂ ａ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ；ｔ ｏ ｐ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｎ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ；Ｓ ＫＯ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ；ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
有优化 的拓扑 结构 和力学特性 ， 因而杆 件布置合理 ， 结构应力分布均匀 ． 关键词 ： 杆系结构 ； 拓扑优化 ；骨架提取 ；Ｓ Ｋ Ｏ算法 ； 有限单元
中图分类号 ： Ｔ Ｈ １ １ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２—５ ５ ８ １ （ ２ ０ １ ６ ） ０ １ —０ ０ ３ ２ —０ ６
第１ ４卷第 １期 ２ ０ １ ６年 ２月
机械结构的拓扑优化设计方法研究
机械结构的拓扑优化设计方法研究机械结构的拓扑优化设计方法是一种以最优化理论和方法为基础，以机械结构的形态为对象，通过设计结构的形状、结构、材料的分布及其互动等方面的参数，以实现特定目标的一种方法。
拓扑优化设计旨在通过改变和优化结构的形态，使其在满足给定约束条件下的材料用量最小、重量最轻、刚度、强度、降振等性能最优的结构形态。
在机械结构的拓扑优化设计方法中，首先需要将结构用有限元模型来表示，然后通过对该模型进行优化，得到最优的结构形态。
这个过程中，常用到的优化算法有遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等。
拓扑优化设计方法的核心在于寻找结构的形态，即通过不断地改变结构的形状、结构、材料的分布等参数，使得结构在给定的工作条件下达到最佳的性能。
为了实现这个目标，研究者们提出了多种拓扑优化设计方法，如基于密度的方法、基于形态敏感性的方法等。
基于密度的拓扑优化设计方法是最早被提出的一种方法。
该方法通过对结构中各个单元的密度进行优化，来改变结构的形态。
密度越高的区域，材料的使用量就越大；密度越低的区域，材料的使用量就越小。
通过对结构密度的改变，可以实现结构体积的最小化。
基于形态敏感性的拓扑优化设计方法则是根据结构的受力情况来进行优化。
该方法通过分析结构中各个单元的应力状态，来确定结构中应力集中的区域，然后通过改变该区域的形状和材料分布，来降低结构中的应力集中，进而优化结构的性能。
除了以上两种方法外，还有一些其他的拓扑优化设计方法，如基于形态静度方法、基于拓扑显著性的方法等。
这些方法都是以结构形态的改变为基础，通过改变结构的形状、结构、材料分布等参数，来实现结构性能的优化。
通过机械结构的拓扑优化设计方法可以得到最优的结构形态，使得结构在给定的工作条件下达到最佳的性能。
这在工程领域中具有非常重要的应用价值。
与传统的结构设计方法相比，拓扑优化设计方法不仅能够降低结构的重量和材料用量，还能提高结构的刚度、强度、降低结构的振动等性能。
基于solidThinking_Inspire的主起落架撑杆下摇臂的优化设计
基于solidThinking Inspire的主起落架下撑杆的优化设计The optimization design of the under strut of the main landing gear based on solidThinkingInspire潘小权（中航工业一飞院 西安 710089）摘要：利用软件solidThinking Inspire对主起落架下撑杆进行了拓扑优化分析。
利用软件进行了计算分析，最终得到一个分析结果。
对其计算结果进行分析处理，得到一个新的下撑杆结构数模。
最后，在solidThinking Inspire中进行静力分析，通过多次迭代，确定了在满足强度及刚度要求的条件下得到最佳结构，将零件重量得到最大限度的减轻。
关键词：拓扑优化,solidThinking Inspire,主起落架下撑杆Abstract: SolidThinking Inspire is adopted to set up the topology optimization analytical model with the under strut of the main landing gear. Then the model is computed by SolidThinking Inspire and get a result. Analyzing and disposing the result, get a new structure of the under strut. Make the static analysis and several circulate, finally we will achieve the optimal configuration distribution of enough stress and stiffness.Key Words:T opology optimization, solidThinking Inspire, Strut under the main landing gear1概述结构优化作为现代结构设计方法，广泛用于航空、航天、船舶等各个领域。
机械臂拓扑优化工程方案
机械臂拓扑优化工程方案拓扑优化是一种通过改变材料分布和结构形状来实现结构性能优化的方法。
在机械臂设计中，拓扑优化可以用来减轻负载，降低材料成本，增加结构强度等。
在本文中，将介绍一种基于有限元分析和拓扑优化的机械臂设计方法，以提高机械臂的性能和效率。
1. 有限元分析有限元分析是一种工程设计中常用的方法，通过将结构划分成有限数量的小单元，然后对每个小单元进行分析，最终得出整个结构的性能。
在机械臂设计中，有限元分析可以用来评估机械臂的刚度，强度，振动等性能。
在有限元分析中，首先需要对机械臂进行建模。
建模过程中需要考虑机械臂的材料，载荷，约束等因素。
然后，将机械臂划分成有限数量的小单元，每个小单元可以通过数学方程表示，然后利用数值方法求解这些方程。
最终得出机械臂的应力，应变，位移等结果。
有限元分析可以帮助工程师评估机械臂的性能，并且可以在机械臂设计的早期阶段发现潜在的问题，为后续的拓扑优化提供参考。
2. 拓扑优化拓扑优化是一种通过改变结构形状和材料分布来实现结构性能优化的方法。
在机械臂设计中，拓扑优化可以用来减轻机械臂的重量，提高其刚度和强度，并且可以降低材料成本。
拓扑优化通常需要考虑的因素包括载荷方向，约束条件，材料性能等。
在进行拓扑优化时，通常需要设置一些设计变量，比如材料分布，结构形状等。
然后，利用优化算法来搜索这些设计变量的最优解，以满足机械臂设计要求。
3. 机械臂拓扑优化工程方案在设计机械臂时，通常需要考虑的要求包括重量，刚度，强度和成本。
为了实现这些要求，可以采用以下工程方案进行机械臂的拓扑优化设计：3.1 建立有限元模型首先，建立机械臂的有限元模型，通过有限元分析评估机械臂的性能，包括刚度，强度，振动等方面。
3.2 设定设计变量设定机械臂的设计变量，包括材料分布，壁厚，结构形状等。
其中，材料分布可以通过设计变量来表示，不同区域可以采用不同的材料。
3.3 选择优化算法选择适合机械臂拓扑优化的算法，常用的算法包括遗传算法，粒子群算法，模拟退火算法等。
利用ANSYS软件进行动臂(四连杆)优化设计
三.利用ANSYS软件进行动臂（四连杆）优化设计3.1有限元模型建立装载机整机的有限元模型是主要是针对力作用的直接部件进行的，主要包括装载机机身上的转台、主要工作部件铲斗、带动铲斗动作的动臂、动力件油缸、以及运动件连杆和摇臂组成。
在实际建模过程中，通常要求设定材料的性能参数与母材相同，这样做的原因是要对各构件的焊接接头进行连续处理，更为重要的一点是为了在后续精力分析中可以有一个光顺的网格划分，在进行有限元模型的建立中，为了更快捷的进行后续计算，以不至于施加于计算机太多计算负荷，将其中不影响结果数据的螺纹孔、倒角等结构进行了移除。
组件几何模型如图3.1所示。
图3.1 工作装置几何模型根据实际情况定义相应材料的性能，包括：弹性模量e = 2.06×106pa，泊松比μ= 0.3，密度ρ= 7850kg / m3。
每个部件均由solid186单元模拟，接头处的销轴由beam188单元模拟，联接单元由销轴与轴套之间的运动关系模拟，而液压缸则由连杆单元模拟。
通过设置诸如截面积，弹性模量和密度之类的参数来实现对实际液压缸的仿真。
要求将元素尺寸控制在15mm〜20mm之内，并在销轴上局部细化网格，这可以提高计算精度。
最后，为了以危险的姿势获得工作装置的整个有限元模型，需要组装每个部件的有限元模型。
有限元模型包括266783个单元，其中包括266638个实体单元，142个梁单元，3个杆单元和444467个节点。
最后，如果装载机转盘需要完全约束，则应采用边界条件。
通过上述过程计算得出的切向和法向挖掘阻力将作为有限元模型中的外部载荷应用于铲斗尖端，如3.2所示。
图3.2 工作装置有限元模型及边界载荷3.2工作装置静强度分析结果据了解，装载机的材料为 q460c 钢，屈服极限为[ ]=235×106 Pa。
结果表明，工作装置的最大应力为802mpa，该应力发生在提升臂的上吊耳的铰孔和铲斗杆的油缸，远远超过了材料的屈服极限。
机械结构的拓扑优化设计与性能改进
机械结构的拓扑优化设计与性能改进导言机械结构的拓扑优化设计与性能改进是现代工程领域的重要研究方向，其目的是通过重新设计材料的布局和形态，提高结构的强度、刚度、耐久性和重量等性能指标。
该领域的研究不仅能够提高机械结构的工作效率和可靠性，还有助于减少材料的使用量，提高生产效率。
本文将介绍机械结构拓扑优化设计的原理和方法，并探讨如何通过该方法改进结构的性能。
第一部分拓扑优化设计的原理与方法1.1 拓扑优化设计的基本原理拓扑优化设计是一种基于连续介质力学和优化理论的设计方法，通过调整材料的布局和形态，使结构在受到外力的情况下达到最佳的结构性能。
其基本原理是在给定的设计空间内，利用某种性能指标作为目标函数，通过对设计变量的优化，找到最优的材料布局和形态。
1.2 拓扑优化设计的方法拓扑优化设计的方法主要包括参数化建模、约束条件的制定、优化算法和结果的验证等步骤。
首先，需要对机械结构进行参数化建模，将其抽象为一个或多个设计变量，然后确定性能指标和约束条件，例如最小重量和最大刚度等。
接下来，通过优化算法进行求解，常用的方法包括遗传算法、蚁群算法和粒子群算法等。
最后，对优化结果进行验证和评估，确保其满足设计要求。
第二部分拓扑优化设计在机械结构中的应用2.1 拓扑优化设计在桥梁结构中的应用桥梁结构是机械结构中常见的重要组成部分，其性能直接关系到交通运输的安全和效率。
利用拓扑优化设计方法可以改善桥梁结构的受力性能和耐久性。
通过对结构进行重新布局和形态优化，可以减少结构的应力集中和疲劳损伤，提高其承载能力和使用寿命。
2.2 拓扑优化设计在飞机结构中的应用飞机结构是机械结构中对强度、轻量化和抗疲劳性能要求较高的一类结构。
拓扑优化设计方法可以在保证结构强度和安全性的前提下，最大程度地减少结构的重量。
通过调整材料的布局和形态，可以优化飞机结构的刚度分布和应力传递路径，从而提高其整体性能。
2.3 拓扑优化设计在机械装备中的应用在各种机械装备中，如发动机、机床和机器人等，拓扑优化设计方法被广泛应用于提高性能和效率。
拓扑优化技术在空间结构节点设计中的应用
112 |R E A L E S T A T E G U I D E拓扑优化技术在空间结构节点设计中的应用梁 影1,2 谭增辉3(1.河南开放大学 河南 郑州 450000;2.河南省智能绿色建造工程研究中心 河南 郑州 450000;3.焦作大学 河南 焦作 454000)[摘 要] 拓扑优化技术在结构工程中的应用非常广泛,空间结构的节点造型丰富且受力复杂,拓扑优化技术在空间结构节点轻量化设计中发挥着重要作用㊂本文以仿生结构中常见的树形分叉铸钢节点和网架结构中的螺栓球节点为例,重点对拓扑优化的三个重要因素进行总结,结合相关文献的研究成果,发现拓扑优化技术在空间节点概念设计中发挥着重要的指导意义,为节点选型提供参考,复杂的节点拓扑构型结合金属3D 打印技术在未来空间结构发展中具有广阔的发展前景;最后结合A I 技术的发展,对其发展趋势与潜在的应用方向进行了展望㊂[关键词] 拓扑优化;空间结构;3D 打印[中图分类号]T U 318 [文献标识码]A [文章编号]1009-4563(2024)06-112-03空间结构在大跨度屋面结构中的应用日趋广泛,多样化的建筑风格,对空间结构的节点造型也提出了更高的设计要求㊂节点在空间结构中起着传递杆件内力的作用,其设计是否合理决定了结构的安全性和使用寿命,因此必须保证节点的强度㊁刚度和耐疲劳性能㊂目前空间结构中所用的钢节点设计比较保守,制造多采用传统的生产工艺,工期时间长,精度低,自重大,成产成本高㊂大跨度空间屋面结构常见的类型有网架结构㊁桁架结构和基于仿生学的树状结构等类型,国内高铁车站常见的树状结构,其节点造型丰富,但一个树状分叉节点承担较大的荷载,这就导致节点设计很粗犷,节点体积和重量很大,给制造和施工都带来了非常大的困难,且工期较长㊂大跨度网架结构中,由于建筑造型的需要,有些位置的杆件夹角会很小,杆件又比较大,这就导致了节点球非常大,影响了建筑美观,同时结构自重也随之增大,给结构设计和杆件安装带来了很大的困难㊂近年来,拓扑优化技术在空间结构节点构型优化中逐渐崭露头角,拓扑优化是在指定的荷载工况下,满足给定的约束条件,将材料在设计区域内进行最优分布,这样就可以在满足节点力学性能不降低的前提下,对节点进行轻量化设计,同时由于拓扑形状是根据力学传递路径分布的,节点造型也非常美观㊂但拓扑优化后的形状较为丰富,采用传统的生产工艺生产就存在一定的难度且成本更高,3D 打印技术可以很好的解决这个问题,采用该技术可以将拓扑形状完整的实现出来且质量非常高,这样就可以解决一些重要空间结构中复杂节点的设计和制造工艺问题,为工程实践提供新的方法㊂1 拓扑优化基本理论和3D 打印技术1.1 拓扑优化基本理论结构优化的方法有尺寸优化㊁形状优化㊁形貌优化和拓扑优化,前三者是目前较为常见的低阶优化手段㊂拓扑优化在整个设计优化过程中属于概念设计,有三个要素:设计变量㊁约束条件和目标函数,根据所设边界条件及荷载情况确定较合理的结构形式㊂设计变量为认为假定的单元密度,在0~1之间变化;约束条件是优化要满足的控制条件;目标函数是优化的最终结果;拓扑优化是在满足约束条件下,将材料根据荷载的传递路径进行重分布,在力学性能没有明显降低的情况下实现轻量化设计,为节点的概念设计提供参考㊂1.2 3D 打印技术3D 打印技术又称增材制造技术,是一种基于数字模型,通过逐层叠加的方式制造实体的技术㊂它不同于传统的减材制造和等材制造,而是采用一种逐步累加的方法,将材料堆积成所需形状,广泛应用于多个领域,如航空航天㊁医疗㊁建筑㊁消费品等㊂与本文研究相关的主要是金属3D 打印技术,目前是3D 打印中最具潜力的技术,是智能制造工艺的主要发展方向,通常是通过高热融化金属粉末进而将产品烧结成型,按照所采用的热源不同,金属增材制造技术又可以大致分为基于激光束的金属增材制造技术以及基于电子束的金属增材制造技术[1]㊂2 树形分叉节点拓扑优化与3D 打印技术在基于仿生学设计的新型结构中,树形结构应用较多,其常采用铸钢分叉连接节点,这类节点受力复杂,设计难度高,图1是树状结构在高铁车站等公共建筑中的应用㊂图1 长沙南站树形结构王龙轩[2-3]等,贺鹏斐[4-5],王辉[6]等对树形结构铸钢分叉节点拓扑优化及金属3D 打印做了较为完善的研究,树形结构的节点常见有双分叉㊁三分叉㊁四分叉等,这些节点在结构中受力较为复杂,节点的优化设计工作难度较大㊂图2(a)为典型的三分叉铸钢节点,原始节点设计较为保守,节点自重大㊂拓扑优化的约束条件为体积分数,设计目标函数为最小化柔度即最大化刚度,在一定的设计工况下进行拓扑优化设计,节点拓扑形状美观,拓扑构型根据单元的贡献情况剔除掉工作效率低的单元,保留高效的节点单元,可以看出材料基本是沿着力的传递方向分布,如图2(b )所示㊂图2(c)为采用3D 打印技术生产的拓扑构型实物,完整还原了新构型的几何特征,完美解决了拓扑构型难制造的问题,文献[4]中对3D 打印的拓扑构型节点做了试验研究,试验结果验证了新构型节点力学性能较原节点无明显降低,进一步展示了拓扑优化节点优势㊂R E A L E S T A T EG U I D E |113(a )原始节点 (b )拓扑形状 (c )3D 打印节点模型图2 三分叉铸钢节点拓扑优化与3D 打印模型文献[2-5]对拓扑优化节点进行了静力学分析,以其中典型的三分叉铸钢节点为例,发现拓扑优化节点最大主应力较原节点减少了2.34%,最大位移较原节点仅增长4.07%,最大主应力较原节点仅增长4.95%,其质量较原节点减重了48.57%㊂在工程实践中,拓扑优化设计不仅可以提高节点的力学性能,还降低了节点自身的重量,提高了整体结构的稳定性和安全性[7],证明了利用拓扑优化原理寻找树形结构铸钢分叉节点是有效可行的,这一系列研究成果为我国树状结构铸钢分叉节点的拓扑优化及金属3D 打印提供了重要的理论和技术支持,拓宽了其在工程领域的应用范围㊂3 拓扑优化在大跨度网架结构节点中的应用网架结构在体育场馆等大型公共建筑中的应用非常广泛,有单层网架和多层网架结构等结构形式,建筑形式的丰富多样,也使得网架结构造型多样化,网架结构杆件夹角很小处的螺栓球往往较大,这样就会导致节点自重过大,给设计和安装带来困难㊂目前的常规设计优化方法暂不能按照每个有限元单元的贡献率进行材料分布,基于这个情况,采用拓扑优化的方法对大直径螺栓球节点进行节点重建就显得很有必要㊂网架结构的螺栓球节点受力模式为螺栓主要承受来自于杆件的拉力,压力则通过套筒和螺栓球之间的挤压接触传递,当杆件直径小于76m m 时采用封板,直径大于等于76m m 时采用锥头,图3为螺栓球节点构造示意图,可以清楚的看到内部结构,清楚螺栓球节点的受力模式㊂图3 螺栓球节点构造示意图拓扑优化的设计变量定义为节点单元的假想密度,密度值在0-1范围内,密度值越靠近1,表示单元贡献率越高,越会得到保留,密度值越小表明其贡献率较低可以剔除㊂王英奇等[8]针对大直径螺栓球节点做了拓扑优化分析,图4为采用H y pe r M e s h 软件优化后得到的节点拓扑构型㊂文献[8]对原始节点和新节点进行了静力有限元分析,发现拓扑优化节点最大等效应力较原节点增大了0.23%,最大位移较原节点增长25%,其质量较原节点减重了近80%㊂图4 螺栓球节点拓扑优化构型针对大直径螺栓球节点自重大难优化的问题,拓扑优化可以很好的解决这些问题,拓扑构型具有一定的合理性,对螺栓球的概念设计具有一定的指导意义,针对拓扑构型的复杂性,可以结合金属3D 打印技术实现优化后节点的快速智能制造㊂4 拓扑优化在其他空间结构节点中的应用随着空间结构的迅速发展,一些新型的结构形式也层出不穷,尤其是金属3D 打印技术的推广应用,甚至可以直接打印整个结构,新加坡A i r M e s h 发光凉亭是全世界首个由3D 打印的不锈钢组件制成的建筑结构,突破了建筑创新和建造技术的极限㊂节点造型各异,常规的制造工艺制造难度很大,如图5所示为其典型节点㊂图5 节点实物图 图6 节点拓扑优化构型针对这种非常异型的节点,如果要实现轻量化设计,传统的设计方法就显得非常困难,计平等[9]详细研究了这种复杂造型节点的拓扑优化,文献[9]中将体积分数设为约束条件,最小化质量为目标函数,单元假定密度为设计变量进行114 |R E A L E S T A T E G U I D E拓扑优化,得到拓扑节点如图6所示,节点造型美观,受力合理,对此类复杂造型节点的概念设计提供了参考㊂5 结论与展望(1)拓扑优化技术在空间结构节点轻量化设计中是可行的,在没有明显降低节点力学性能的前提下,大幅降低了节点的自重,实现了节点的精准优化,为空间结构节点的概念设计提供参考㊂(2)针对仿生结构中常见的树形分叉铸钢节点和网架结构的螺栓球节点,在给定设计工况下进行拓扑优化设计,拓扑构型基本实现了最优材料分布,材料分布符合荷载传递路径,同时拓扑优化也可以为新型的复杂空间异型节点优化找型提供参考㊂(3)随着人工智能技术的飞速发展,将A I 算法融入到拓扑优化设计中是未来的发展趋势,为拓扑优化带来了新的生机,实现空间结构节点的智能化选型和设计[10-11]㊂参考文献[1] 陈敏超.面向增材制造的空间结构节点拓扑优化设计[D ].杭州:浙江大学,2018.[2] 王龙轩.铸钢分叉节点的拓扑优化设计与3D 打印制造研究[D ].开封:河南大学,2020.[3] 王龙轩,杜文风等.四分叉铸钢节点拓扑优化及3D 打印制造[J ].建筑结构学报,2021,42(6):37-49.[4] 贺鹏斐.树状分叉节点的3D 打印和力学性能研究[D ].开封:河南大学,2020.[5] 贺鹏斐,杜文风,王龙轩.三分叉节点的建模和3D 打印制造一体化研究[J ].河南大学学报(自然科学版),201949(3):362-368.[6] 王辉.树状柱分叉形铸钢节点的衍生式设计与增材制造研究[D ].开封:河南大学,2022.[7] 陈敏超,赵阳,谢亿民.空间结构节点的拓扑优化与增材制造[J ].土木工程学报,2019,52(2):1-10.[8] 王英奇,杜文风等.大直径螺栓球节点的拓扑优化研究[J ].河南大学学报,2021,51(1):87-94.[9] 计平,陈耀伦等.A i r m e s h 金属增材制造节点的拓扑优化[J ].空间结构,2021,27(4):71-77.[10] 韩乐雨,杜文风等.四分叉铸钢节点的衍生式智能设计研究[J ].建筑结构学报,2023,44(5):325-334.[11] 张帆.基于仿生子结构的空间结构节点拓扑优化及3D打印研究[D ].开封:河南大学,2021.(上接第109页) 可视化技术毫无疑问是智慧建筑设计的一个重要环节,其稳定性安全性能耗率等都不可忽略㊂反正随着这一领域的日趋成熟其经验与成果将为其他场景与领域之运用带来宝贵经验㊂以笔者公司为例,近些年已有意识有计划有目的地拓展了诸多平行领域场景的应用,并与诸多客户与同行展开广泛交流与互动,深刻感受到这些方面市场巨大潜力与需要参考文献[1] 黄日财.基于N i a ga r a 与三维可视化技术的建筑设备运维平台设计与分析[J ].电脑编程技巧与维护,2023(10):106-108+112[2] 张莹.三维建筑表现在景观设计中的应用研究[D ].哈尔滨师范大学,2012.[3] 王磊.规划审批数字化技术探讨 三维建模与可视化研究[J ].工程设计C A D 与智能建筑,2000(06):25-28[4] 贺小军,白亮亮,杜锡林.三维可视化㊁荧光影像联合超声技术在外科治疗重度肝硬化相关性小肝癌定位中的应用效果[J ].现代肿瘤医学,2024,32(06):1089-1093.[5] 覃钦玉.B I M 技术在地铁工程中的应用研究[J ].中国设备工程,2024(03):222-224.(上接第111页)本互通主要服务于周边街道北部区域的交通转换,远期随着规划开发区的建设,通过本项目的交通量将有一定增长,该互通更临近城区,更便于街道上下高速公路实现交通转换㊂规划新区方向流入与流出车辆,主要依靠本互通,因此,采用B 型单喇叭更有利于规划新区方向车辆上下㊂方案二指标较为均衡,更有利于适应交通量,但桥梁规模较大,对被交路侧桥梁景观破坏较多,同时,距离周边村落较近,征拆协调难度较大,工程规模也较大,因此,本阶段推荐方案一㊂5 总结综上所述,互通式立体交叉的设计方案研究需要综合考虑交通流量㊁道路网络㊁交通安全㊁人行通行㊁信号控制和交通导向等因素㊂通过科学的研究方法和技术手段,可以制定出合理㊁高效的设计方案,提高城市交通的运行效率,改善交通状况,为人们出行带来便利㊂参考文献[1] 张雪梅㊂高速公路互通式立交绿化设计以京港澳高速洪泽湖大道互通式立交为例[J ].花卉,2023(4):64-66.[2] 王诚㊂公路和城市道路互通式立交设计问题研究[J ].百科论坛电子杂志,2020(15):1551.[3] 范燕㊂城市近郊高速公路立交拓能改建方案研究 以西安绕城高速北客站立交工程为例[J ].城市道桥与防洪,2023(2):9-12.[4] 付光耀㊂郑州彩虹桥及接线拆解与新建工程总体设计方案研究[J ].价值工程,2023,42(20):64-66.[5] 赵晓梅,马骉,陈振东等㊂大型立交跨多线铁路走廊的桥梁总体方案设计[J ].现代交通技术,2023,20(3):34-40.[6] 王甜甜,张彦,田雨农等㊂基于多源激光点云数据的大型互通式立交桥及道路实景建模[J ].北京测绘,2023,37(1):37-42.[7] 狄兆华㊂石家庄槐安路与西二环立交总体方案研究[J ].城市道桥与防洪,2023(5):17-19.[8] 刘楠㊂关于南京大胜关长江大桥北接线西江互通立体交叉设置研究[J ].黑龙江交通科技,2023,46(1):97-99.。
机械结构的优化设计与拓扑优化
机械结构的优化设计与拓扑优化机械工程是一门涉及设计、制造和维护机械系统的学科，它在现代工业中扮演着重要的角色。
机械工程师通过应用物理学和数学原理，设计和优化机械结构，以提高机械系统的性能和效率。
在这篇文章中，我们将探讨机械结构的优化设计和拓扑优化的重要性和应用。
机械结构的优化设计是指通过改变结构的形状、尺寸和材料，以满足特定的设计要求和约束条件，从而达到最佳性能的设计过程。
优化设计的目标可以是提高结构的强度和刚度，降低结构的重量和成本，提高结构的可靠性和耐久性等。
在优化设计过程中，机械工程师需要考虑多个因素，如材料的力学性能、结构的工作环境和负荷条件等。
拓扑优化是机械结构优化设计的一种重要方法。
它通过改变结构的拓扑形状，以获得最佳的结构性能。
拓扑优化的基本原理是将结构划分为离散的单元，然后通过添加或移除单元来改变结构的形状。
这种方法可以帮助机械工程师探索和发现传统设计方法所无法实现的新结构形态，从而提高结构的性能。
拓扑优化的一个重要应用是在材料轻量化领域。
随着节能环保意识的增强，轻量化设计成为了现代机械工程的一个重要趋势。
通过拓扑优化，机械工程师可以设计出更轻、更强、更节能的机械结构。
例如，在汽车工业中，通过拓扑优化可以设计出更轻的车身结构，从而提高燃油效率和减少碳排放。
在航空航天领域，拓扑优化可以帮助设计出更轻、更刚性的飞机零部件，从而提高飞机的性能和安全性。
除了轻量化设计，拓扑优化还可以用于改善结构的刚度和强度。
通过拓扑优化，机械工程师可以将材料集中在受力区域，从而提高结构的刚度和强度。
这种方法可以帮助解决结构在工作过程中的挠曲、变形和疲劳等问题。
例如，在桥梁设计中，通过拓扑优化可以改善桥梁的刚度和承载能力，从而提高桥梁的安全性和使用寿命。
总之，机械结构的优化设计和拓扑优化在现代机械工程中具有重要的意义和应用。
通过优化设计和拓扑优化，机械工程师可以设计出更轻、更强、更节能的机械结构，提高机械系统的性能和效率。
基于多连杆系统的高速辊床优化设计
121中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2019.04 （上）为适应全球化的市场竞争，我国汽车制造业正向着柔性、高效、智能的主流方向发展。
同时，随着顾客和市场需求越来越多样化，传统的企业大批量生产方式也在逐步向以生产者为主导的个性化生产方式转变。
对于大批量自动化汽车生产线，在汽车白车身焊接过程中，往往采用大量的机器人和自动化设备来实现整个生产线的自动化运行。
目前汽车白车身车间主要采用电动葫芦吊具、机器人搬运以及辊床滑撬等输送方式。
电动葫芦承载较高，但是生产节拍低，适用于对效率要求不高的工位，已经无法满足现在汽车企业的节拍要求。
机器人搬运也是车间常用的一种输送方式，主要由工业机器人、抓手夹具组成，自动化水平高、输送速度快，但是承载能力较低，只能适用于工位之间较小零件的传输。
辊床滑撬承载能力强，同时输送效率高且具有良好的定位精度，是目前白车身总成生产线最常用的输送方式。
1 高速辊床升降机构与普通辊床相比，高速辊床具更快的速度以及更高的承载能力，根据辊床本身能够升降又可以分为水平固定式高速辊床和升降式高速辊床。
在白车身车间总成生产线，由于对柔性化生产要求较高，更多以升降式高速辊床为主，同时配合随行夹具使用以确保定位精度。
其中升降式高速辊床主要由升降机构及水平驱动机构组成，本文重点研究其升降机构。
升降机构是高速辊床设计的主要组成部件，一般由伺服电机、曲轴、连杆和摆杆组成，如图1所示，辊床升降性能的实现、升降时间、工作范围、辊床的承载能力等都与升降机构的设计有关。
目前普遍应用的是拉杆式升降机构，采用平面多连杆结构，其工作原理为伺服电机驱动曲柄在一定工作节拍下绕电机轴中心转动，曲柄则通过连杆带动摆杆在一定的角度内摆动，最终在摆杆的带动下辊床平台实现沿导轨基于多连杆系统的高速辊床优化设计杨朝隆，耿勇（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）摘要：随着汽车产业的多元化发展，对汽车细分市场的要求越来越高。
基于ANSYS的工业机械臂结构分析与拓扑优化设计
基于ANSYS的工业机械臂结构分析与拓扑优化设计
黄李丽
【期刊名称】《汽车实用技术》
【年(卷),期】2024(49)8
【摘要】机械臂的刚度和固有频率对其可靠性有重要影响,需对其进行深入研究。
文章对某型六自由度工业机械臂进行建模设计,在ANSYS软件采用有限元分析方法对机械臂在力矩最大的工况下进行静态结构分析和模态分析,验证其刚度和固有频率是否符合要求。
进一步采用拓扑优化方法对大臂进行优化,然后对大臂进行模型重构,导入到整个机械臂中进行结构分析与模态分析,比较优化前后机械臂的性能差异,验证了改良后机械臂的可靠性,实现轻量化目标,为后续生产提供参考依据。
【总页数】7页(P52-58)
【作者】黄李丽
【作者单位】南宁职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】G642
【相关文献】
1.基于ANSYS WORKBENCH的六自由度机械臂有限元分析及结构优化
2.基于SolidWorks软件对工业机器人机械臂的结构优化设计和受力、模态分析
3.基于水电站ANSYS的液压启闭机机架结构拓扑优化设计
4.基于Ansys的移动伸缩堆料机臂架结构拓扑优化设计
5.基于ANSYS Workbench的水马结构拓扑优化设计
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工业机器人操作臂拓扑优化设计及性能分析
工业机器人操作臂拓扑优化设计及性能分析摘要：如今，工业机器人正朝着高精度和速度的方向发展。
因此，工业机器人必须不断优化其机械结构，以满足工业机器人发展的需要，同时加强控制。
机械手臂是一种移动组件，需要高静态和动态固有频率，以减少运行中的变形和振动，提高机器的运行精度。
这也是优化设计的重点和难点。
关键词：工业机器人；操作臂；拓扑优化引言数字智能制造是我国传统制造形态升级中不可或缺的趋势，构成未来作品核心的工业机器人将开辟新的增长机遇。
工业机器人目前被广泛应用于汽车工业及其零部件生产、造型编辑、航天等诸多领域，为人们带来巨大的经济和社会效益。
工业机器人通常由机械结构体、核心控制装置、传感器和伺服驱动系统组成，构成每种功能的基础。
随着工业机器人应用的增加和现代工业的出现，工业机器人的性能和成本要求也在增加。
传统的基于经验的设计方法往往造成结构冗余质量大，进而导致产品成本居高不下，因此已越来越不能满足现代化工业的需求。
拓扑优化设计方法不依赖于结构的初始构型和工程设计人员经验，可获得既定约束条件下的最优结构，结合3D打印技术即可精确地将设计思想转化为具备最优性能的实体零件。
文中以某小型教育用工业机器人的操作臂为例，借助于拓扑优化设计方法对其开展轻量化设计，以实现其个性化、轻量化和低成本的设计要求，为工业机器人操作臂的设计提供指导。
1结构分析流程工业机器人(见图1)的目标是机器人手臂(见图2)。
它非常适合于机械和电气过程的快速加工和装配，用于机械结构分析和拓扑优化，如图3所示。
它分为以下步骤:(1)在极端操作条件下创建机器人的三维模型。
(2)机器人手臂的静态和模态分析；(3)优化和重组多目标拓扑；(4)对机器人进行静态和模态分析，以确定是否满足要求(5)将优化后的武器分析结果与原始模型进行比较，并验证优化后的结构。
图1 六自由度工业机器人图2 工业机器人机械臂图3 结构分析与拓扑优化流程2机械臂材料轻量化材料一般化是简化机器人手臂的重要方法，2A12铝合金是机器人常用的连接配置文件。
机械结构的拓扑优化设计与分析
机械结构的拓扑优化设计与分析拓扑优化设计是一种结构优化的方法，旨在通过重新设计结构的拓扑结构，实现结构的最优性能。
机械结构的拓扑优化设计与分析在工程领域具有广泛的应用，本文将对这一主题进行深入探讨。
首先，需要了解什么是机械结构的拓扑结构。
机械结构是指由多个构件组成的结构系统，如机械传动系统、机械臂等。
拓扑结构是指结构系统中构件间的连接关系和布局方式。
在机械结构设计中，通过优化拓扑结构，可以实现结构的轻量化、刚度的提升、减少应力集中等效果。
机械结构的拓扑优化设计与分析一般包括以下几个步骤。
首先，确定设计的目标，如降低结构的重量、提高结构的刚度等。
其次，建立结构的有限元模型，即将结构离散为一个个有限元单元，并建立它们之间的连接关系。
然后，通过数值方法，如优化算法，对结构的拓扑结构进行优化。
最后，对优化结果进行验证和评估。
在进行拓扑优化设计时，最常用的优化算法是遗传算法和拓扑优化算法。
遗传算法是一种模拟生物遗传进化的算法，通过模拟自然选择、交叉和变异等过程，逐步演化出最优解。
拓扑优化算法则是基于材料的连续设计理论，通过改变结构的连续体材料在构件中的存在状态，实现结构的优化。
机械结构的拓扑优化设计与分析有很多应用。
在航空航天领域，通过对飞机机翼结构的拓扑优化设计，可以大幅度减轻机翼重量，提高飞机的燃料效率。
在汽车制造领域，通过对汽车车身结构的拓扑优化设计，可以减少车身的重量，提高汽车的安全性和燃油经济性。
拓扑优化设计的研究还有一些挑战和难点。
首先，拓扑优化设计需要对结构的载荷和约束条件进行准确的描述和数值分析，这对设计者的工程素质要求较高。
其次，优化算法的选择和参数的确定也对结果具有重要影响。
此外，拓扑优化设计的结果可能会因为离散化的误差和局部极值等因素而导致最优解不稳定。
为了提高拓扑优化设计的效果和稳定性，研究者们还在积极探索新的方法和算法。
例如，结合人工智能算法和拓扑优化设计，可以实现更加高效和准确的优化。
摇臂探测车悬架多工况拓扑结构优化设计
摇臂探测车悬架多工况拓扑结构优化设计李所军;高海波;邓宗全【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2010(031)006【摘要】为减轻探测车的悬架重量,保证足够大的刚度,基于变密度法对摇臂悬架进行了结构拓扑优化设计.对摇臂和摆杆的载荷工况和边界条件进行了简化,选取3种极限受载情况进行了准静力学分析,确定了优化时的各工况载荷.以最小柔度为目标函数,体积分数为约束条件,利用Hyperworks软件分别对摇臂和摆杆进行了多工况结构拓扑优化设计.依据体积分数为0.2的最优拓扑结构,并考虑探测车的几何通过性及悬架的工艺性要求,进行了摇臂和摆杆的结构设计.用MSC.Nastran软件对设计结果进行了有限元分析.结果表明,刚度和强度均满足设计要求,证明了悬架结构设计的合理性.【总页数】6页(P749-754)【作者】李所军;高海波;邓宗全【作者单位】哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150080;哈尔滨工业大学,机电学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150080;哈尔滨工业大学,机电学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150080;哈尔滨工业大学,机电学院,黑龙江,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TP242.3【相关文献】1.摇臂探测车折叠式悬架的综合评价与设计分析 [J], 李所军;高海波;邓宗全;陶建国2.基于越障性能的六轮摇臂式月球探测车悬架尺寸优化设计 [J], 侯绪研;高海波;胡明;邓宗全3.行星探测车被动摇臂悬架的研究与发展 [J], 邓宗全;李所军;高海波4.多工况悬架下摆臂结构优化设计方法研究 [J], 扶原放;金达锋5.摇臂式六轮探测车空间姿态建模与求解 [J], 周开波;王旭永;罗小桃;姬鸣;郭晓峰;程志因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
拓扑优化技术在摩托车后摆臂设计中的应用
拓扑优化技术在摩托车后摆臂设计中的应用
汪中午;高思榜;白虎珍;何强福;江璐璐
【期刊名称】《摩托车技术》
【年(卷),期】2013(000)005
【摘要】拓扑优化技术是一项新兴的设计方法,是在一定空间区域内寻求材料最合理分布的一种优化方法,是一个迭代的过程,可以在方案设计阶段给出零部件甚至组件的合理材料布局,减轻结构质量,通过这项技术,企业能缩短设计周期,提高产品性能,减少昂贵的样件生产和整车测试次数,这一新兴优化设计方法非常适合于摩托车工业中车架及后摆臂整体和单个零件的设计.
【总页数】3页(P41-43)
【作者】汪中午;高思榜;白虎珍;何强福;江璐璐
【作者单位】浙江钱江摩托股份有限公司;浙江钱江摩托股份有限公司;浙江钱江摩托股份有限公司;浙江钱江摩托股份有限公司;浙江钱江摩托股份有限公司
【正文语种】中文
【相关文献】
1.拓扑优化技术在实现建筑与结构一体化设计中的应用 [J], 谢亿民;周一一;王锦
2.拓扑优化技术在桥梁截面优化设计中的应用研究 [J], 常诚
3.拓扑优化技术在变速器壳体设计中的应用 [J], 彭帮亮;陈伟;姬腾飞;刘伟宏
4.拓扑优化技术在汽车设计中的应用 [J], 崔建磊;曹学涛
5.拓扑优化与先进制造技术在可持续建筑构件设计中的应用 [J], 钟蜀证
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升降臂参数化结构形状优化计算报告精
升降臂参数化结构形状优化计算报告1.优化问题研究对象：掘进机械传动的主臂架材料特性：ZG250-400铸钢结构特性：具体见相关模型项目来源：天地科技上海分公司CAE工程项目2.建模要求小孔忽略，中间的圆孔直径不能改变图2。
支撑油缸处尺寸要保证，因为主臂架能绕支撑油缸转动，图3•凹陷部分。
此处的凹陷可以变大，不能变小。
图4•中，两臂间距可大不可小，铰接处的间距也可大不可小。
图2.图3.图4.3.载荷特性主臂架连接平面处：载荷功率250kW，输出转速60r/min，工作轴直径 800mm。
把功率转速转化成三向力，比例Fx:Fy=1:1，（无轴向力）支撑油缸处：与主臂架夹角为34°,单个油缸支撑力为 61t,双油缸支撑力总计 122t。
边界条件：铰接点与机构相连，作为边界条件输入。
主臂架由支撑油缸支撑住，形成平衡。
分析要求：分析最大应力和应变，提出优化方案。
优化要求：保证主臂架的外形尺寸和内部空间尺寸，允许调整壁厚。
4.参数化结构形状优化一几何模型图5. MDT软件创建几何模型一视角1控制两尺寸控制参数2如图8中圆圈所示, 作臂后半段间隙。
当前尺寸参数数值：该尺寸控制参数是当前扫描草图特征的双向拉伸距离,Des02=240mm控制两创建当前模型共用158个尺寸约束参数。
在下面的两个优化模型中分别选取了其中的 4 个和5个尺寸约束参数作为控制模型扰动的控制参数，同时也是优化的设计变量。
这5个尺寸参数的定义为：尺寸控制参数1如图7•中圆圈所示，该尺寸控制参数是当前扫描草图特征的单向拉伸距离, 作臂前半段间隙。
图6.MDT软件创建几何模型一视角2当前尺寸参数数值：Des01=65mm尺寸控制参数3如图9•中圆圈所示，该尺寸控制参数是当前扫描草图特征的拉伸距离，控制油缸支撑力作用处两个圆孔之间的间隙。
当前尺寸参数数值：Des03=80mm尺寸控制参数4如图10.中圆圈所示，该尺寸控制参数是当前扫描草图特征工作平面的定位参数，控制支撑油缸平面的凹陷程度。
拓扑优化在飞机舱门摇臂结构设计中的应用
拓扑优化在飞机舱门摇臂结构设计中的应用邢本东;王福雨;王向明【摘要】针对采用经典的“缘条-腹板-筋条”板杆结构形式的某型飞机舱门摇臂结构在耳片连接区应力水平较低、存在较大减重设计空间的问题,对舱门摇臂结构进行拓扑优化设计,在满足等刚度设计约束条件下,以质量最小为优化目标,实现摇臂结构构型创新设计.优化结果表明:与原舱门摇臂结构相比,拓扑优化后的新型摇臂结构质量减小19.5％,减重效果显著.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2018(027)005【总页数】3页(P48-50)【关键词】舱门摇臂;耳片连接区;拓扑优化;等刚度设计【作者】邢本东;王福雨;王向明【作者单位】中航工业沈阳飞机设计研究所,沈阳110035;中航工业沈阳飞机设计研究所,沈阳110035;中航工业沈阳飞机设计研究所,沈阳110035【正文语种】中文【中图分类】V223.90 引言在飞机结构设计[1-3]中，结构工程师主要依靠以往的工程经验确定零部件的结构形式，完成概念设计，然后由强度工程师进行强度计算，反复迭代后完成零部件的详细设计。
通常，受研制周期的限制，结构工程师设计的结构形式往往不是最优的，存在一定的减重空间。
飞机机体结构质量控制是保证飞机综合性能的必要前提，关乎飞机结构设计的优劣。
拓扑优化技术可以帮助结构工程师依据结构受载工况，找到最优的传载路径，以拓扑优化结果为参考设计结构的初始构型，完成结构的概念设计。
本文以某型飞机舱门摇臂结构拓扑优化设计为例，详细介绍采用拓扑优化软件solidThinking Inspire进行结构优化设计的过程。
1 拓扑优化简介拓扑优化即寻求结构的某种材料布局(有无孔洞及孔洞位置和数量等)，使其能够在满足一定约束的条件下，性能指标达到最优。
[4-6]在拓扑优化问题中，以设计域中每个点的材料特征(有/无)为设计变量，采用优化算法，在满足约束的条件下，寻求材料在设计域内的最优分布。
根据材料在设计域内有或无，可确定最优的结构拓扑形式，同时可给出大致的结构形状和尺寸特征。
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升降辊床连杆摇臂结构拓扑优化设计
升降辊床作为一种新型输送设备，具有高速、稳定、易于维护等优点，在各汽车焊装车间得到了广泛应用。
文章对辊床连杆摇臂结构进行动力学分析，在此基础上针对摇臂结构进行结构拓扑优化，改善机构应力应变并提升疲劳寿命。
标签：升降辊床;摇臂结构;有限元;拓扑优化;疲劳寿命
引言
“冲压、焊装、油漆和总装”被称为当代汽车制造的四大工艺[1]，在上汽大众仪征工厂焊装车间，焊接工艺种类多达8至10种，用来转运车身的工艺生产线多达12条，拥有德国KUKA自动化机械臂800多台，工艺过程极其复杂，工位数量繁多。
基于曲柄连杆摇臂结构的Siemens高速输送升降辊床的大量应用，极大地提高了生产节拍，使生产线实现了柔性生产，产能得到大幅度提高[2]。
1 辊床结构及动力学分析
本文以西门子公司11-0908-1200系列升降辊床为研究对象，主要参数如表1所示。
升降辊床主要由底座、升降机構、水平输送辊床和控制系统四大部分组成，实现其升降功能的是一个典型的多连杆机构，并可拆分为两个四杆机构，即前半部分为曲柄连杆摇臂机构[3-4]，后半部分为平行四杆机构，因此，在运动学分析计算中可以忽略后半部分的平行四杆机构，仅分析前半部分的曲柄连杆摇臂机构[5]（图1）。
为了解曲柄连杆摇臂机构在其运动周期内各构件的受力情况，在Adams软件中创建升降辊床曲柄连杆摇臂动力学仿真模型，施加辊床框架及雪橇、车身的重力负载为13000N，直接作用在前后摇臂上，受力方向始终竖直向下，经求解，后摇臂受到来自连杆的峰值拉力为17588N，在升降辊床从低位向高位运行过程中，摇臂克服负载力并将其向上举升，拉力从峰值开始逐渐降低为0N。
2 辊床有限元仿真分析
对辊床连杆结构进行有限元分析。
摇臂的制造原材料为Q235B，建立摇臂模型并导入到ANSYS软件中，网格划分后共得到47478个节点、19295个单元。
连杆与后摇臂相连的铰接转动副-单孔摇臂关节轴承处，其转动副处最大受力为17588N，选取此瞬态时刻，对后摇臂进行静力学分析，施加负载、约束后进行计算，得到其应力、应变分析结果情况如图2所示。
通过分析发现，在主轴中部轴颈与曲柄连接处是应力集中最严重的部位，从有限元分析结果可以看出，最大应力为91.36MPa，虽然小于摇臂材料的屈服强度235MPa，但这些应力集中部位极易出现疲劳裂纹，直至机械失效损坏，该分析结果与摇臂在实际生产作业中发生的断裂故障一致。
3 辊床摇臂结构拓扑优化
考虑到加强筋结构优化对摇臂应力集中情况改善比较明显，可以对该改进措施进行进一步的结构拓扑优化，以使得左右加强筋结构更牢固可靠。
结构拓扑优化分为两类，它们分别是连续体结构拓扑优化和离散体结构拓扑优化，它可以理解为一种依据确定的负载、性能指标与约束条件、针对指定区域进行材料分布优化的数学方法。
本文采用ANSYS Workbench对摇臂结构进行拓扑优化设计，以体积减少25%为边界条件，同时加载与优化前等同的负载和约束条件，并以最大应力最小为优化目标。
运用ANSYS零阶法，经过9次迭代计算后，输出拓扑优化后的加强筋结构如图3所示，去除的材料质量达17.9535kg，加强筋质量减少为5.9655kg，较厂家优化前最初的加强筋减重了2kg。
对优化后的摇臂进行建模，施加与优化前相同的载荷和约束，对其进行有限元分析，得到如图4加强筋结构拓扑优化后的应力分析云图，摇臂主轴薄弱处的最大应力降低为71.74MPa，相较于首次结构优化后的81.16MPa有明显改善，而相较于摇臂结构优化改进前的91.36MPa实现了大幅改善，应力改善幅度达到21.47%，结构优化改进大大降低了摇臂的应力集中载荷，有利于延长摇臂的使用寿命。
4 辊床疲劳寿命分析
为进一步验证辊床结构优化对应力集中改善的效果，使用名义应力法对新摇臂进行疲劳寿命分析，得到疲劳计算结果如图5所示。
上述疲劳寿命分析结果显示，在承受周期为2秒、循环载荷条件下，摇臂可循环运行的次数为107次，且分析结果显示摇臂安全系数最低为4.8，超过标准值1.5，因此，本文拓扑优化后的摇臂满足实际使用要求。
5 结束语
随着我国乘用车市场发展越来越快，汽车制造业对输送设备特别是工艺输送滚床的要求越来越高，各整车制造厂纷纷在规划阶段就对输送升降滚床的设计提出了更高的要求。
对升降滚床关键部件摇臂的优化改进，有利于提高设备稳定性和使用寿命。
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