基于OptiStruct的齿轮拓扑优化

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基于Optistruct的数控滚齿机床身拓扑优化设计

基于Optistruct的数控滚齿机床身拓扑优化设计

有 效 措 施 . 过 对 结 构 的 固有 频 率 进 行 控 制 和 调 整 , 通 避
免 与 外 界 激 振 力 频 率 相 等 或 相 近 ,从 而 有 效 地 降 低 结 构 的动力 响应 [ 。 拓 扑 优 化 技 术 在 概 念 设 计 阶 段 能 够 激 发 设 计 人 员 的灵 感 . 效 实 现 结 构 最 佳 功 能 和 最 小 成 本 的 结 合 , 有 因 此 成 为 结 构 设 计 领 域 的 热 点 E 。Al i 2 3 t r公 司 的 Hy e a pr W ok / t t c 软 件 是 全 球 最 先 进 的 结 构 设 计 软 件 之 r sOpi r t su
法 对 床 身 进 行 约 束 模 态 分 析 时 , 通 过 约 束 床 身 底 面 的
全 部 自 由度 , 析 得 出床 身 前 5阶 自 由模 态 ( 有 频 率 分 固
和 振 型 ) 并 在 后 处 理 器 Hy eViw 中 查 看 结 果 ( 表 , pr e 如
l所 示 ) 。
Hy e W o k / p i r e 模 态 分 析 模 块 , 采 用 L n z s算 p r r sO t tu t s a co
立 有 限元 模 型 。 于 床 身 的 实 际 结 构 比较 复 杂 , 此 对 由 因 于 明 显不 会 影 响床 身整 体 刚度 、 度 的部 位 , 倒 角 、 强 如 圆 角 、 钉 孑 及 凸 台 等 予 以 简 化 。模 型 导 入 Hy eMe h 螺 L p r s 后 为 了避 免模 型小 特征 的抑 制 以及 复 合 面 的产 生 。 还 需 对模 型进 行几何 清 理 。 简 化 后 对 模 型 采 用 单 元 尺 寸 1 0 mm 的 四 面 单 元 对 集 合 模 型 进 行 网 格 自 动 划 分 , 共 划 分 了 2 0 1 6个 7 5 单 元 和 5 7 85 5个 节 点 。 床 身 材 料 为 HT 5 弹 性 模 量 2 0, 为 1 0 GP , 松 比 为 02 密 度 为 7 3 0 k / 。 2 a泊 .8, 0 gm。 对 于 床 身 的 有 限 元 模 型 中 质 量 差 的 单 元 , 使 用

基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计

基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计

基于OptiStruct汽车控制臂的拓扑优化设计Topology Optimization Design for Vehicle Control ArmBased on OptiStruct金莹莹麦格纳斯太尔汽车技术(上海)有限公司上海 201807摘 要:本文基于OptiStruct软件对某汽车控制臂进行了拓扑优化设计,并分别对比了优化前后结构的应力和位移。

结果表明,通过OptiStruct软件进行的拓扑优化设计满足结构的要求,并实现了轻量化的性能需求,体现了拓扑优化技术的工程价值。

关键词: OptiStruct拓扑优化控制臂强度Abstract:The control arm topology optimization simulation of the vehicle is based on the OptiStruct software. Compared with original control arm structure, the stress of the optimization control arm is a little larger, but lower than yield stress. For displacement, the optimization control arm is also larger than the original control arm structure, but lower than 1mm, which can be accepted. What’more, the weight is reduced by 35%, reflecting the engineering value of the topology optimization technology. Keywords:OptiStruct, topology optimization, control arm, strength前言随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题,汽车轻量化越来越被人们重视,因此对机械结构和零部件进行优化设计具有重要意义。

参考文献_基于OptiStruct的齿轮拓扑优化

参考文献_基于OptiStruct的齿轮拓扑优化
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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
文简单的算例中已能看出其实用性和准确性,其工程使用价值是很大的。
5 参考文献
[1]张胜兰等编《基于 HyperWorks 应用实例》 [3] HyperWorks Users Manual, Tutorials:Altair [4]王春会 连续体结构拓扑优化设计 西北工业大学硕士学位论文 2005 [5]张展主编《实用齿轮设计计算手册》机械工业出版社 2011
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图5数值不稳定的设置 考虑到齿轮为旋转结构,如果材料分布不以重心对称就会产生很大的转动惯量,不利 于系统受力, 在优化的时候先以沿厚度方向和垂直面方向加了三面对称, 优化后的结果如图 6所示:
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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
图6三面对称约束优化结果 此外,把三面约束换成周向循环对称约束同时考虑沿厚度中面向两侧的拔模约束,优 化后的结果如7图所示:
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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
可以看到网格质量较好。中间红色区域为本文所要优化的设计区。
图3完成切分的齿轮
图4划分完网格的齿轮
3 优化设置及结果分析
齿轮模型的边界条件为在中间孔内壁和键槽与轮辐接触的两个侧面上的所有节点加固 支约束,从而模拟通过键连接使齿轮和中轴(未画出)刚性连接。实际工况中需要给齿轮的 一条啮合线上沿转动方向加 320N.mm 的扭矩,文中模型将这一载荷简化为一系列多个垂直 于齿面且在某一条啮合线上的多个点载荷,其中每个点上的载荷大小由以下公式计算得到:
图1标准齿轮模型
图2优化设计齿轮模型
在 HyperMesh 模块完成网格的划分。由于考虑到键槽不可或缺,所以以键槽的最高点 画圆将轮辐区切分成两个部分。与此同时,轮齿以及齿根凸台如果一起划分六面体网格,所 得到的网格质量很差,因此在齿根部分也画圆切分。切分完成以后的模型见图3。除轮齿以 外的三个部分采用六面体网格,轮齿采用四面体网格。网格划分完以后得到的模型如图4,

基于Optistruct的结构静动力拓扑优化设计

基于Optistruct的结构静动力拓扑优化设计
[ 6] &) 施加工艺约束 : 拓扑优化过程中, 可以针对
{
+,-./01 12:
{
$ ( % ) $$ $ " $ $% ! $3 , ! # 3, …, &
(4)
# ! 为第 ! 阶特征值倒数的加权系数。 其中: 35 %! 静动力联合拓扑优化 对结构进行静力和频率特性的联合拓扑优化, 其 [ 6] 目标函数 可以写成: ()*’ # ’# ! ( ! 7 )*+)
・ *.・
& & & & & & & & & & & & & & & & & 航 空 计 算 技 术& & & & & & & & & & & & & & & 第 01 卷
*
图 5" 短对边固支矩形板
拓扑优化前先对结构进行模态分析, 可以得到前 , ! ! 7 !*+ !*&,89 , ! & 7 &*+ *..&89 , !* 7 三阶的固有频率 *5+ &-..89。相应的振型图如图 , ( #) ( $) ( %) 所示: 对薄板进行静力和频率双目标拓扑优化, 目标函 (5) 数如式 所示。经过多次尝试把结构划分为 3’ ( .’
’! 算例
’5 3! 平面薄板静力拓扑优化 一个 &$ C &$(( 的薄板, 厚度 3((, 模型如图 3 所 示, 结构的材料参数如下: 弹性模量为 63$$$<D>, 泊松 比为 $5 %3 , 密度为 &5 EF G 0( 。一条边的两个端点受简 支约束, 对边的中点处有 3$$9 的沿着边方向作用的 集中力。 将薄板划分为几种尺寸不同的单元, 采用不同的 优化约束, 来比较所得到的不同的优化结果。 由于这 是一个比较简单的优化结构, 采用四节点的板单元模 (3) 拟就可以满足其精度要求。优化的数学模型如式 % 所示: 所示。得到的优化结果比较如图 & 、

32_直齿锥齿轮间接多目标拓扑优化设计_卞翔

32_直齿锥齿轮间接多目标拓扑优化设计_卞翔

3.2 应力约束
本文通过设置应力上限值达到降低齿轮应力的优化目标。 建立应力响应。 由于应力响应的计算复杂, 选取所有单元建立应力响应会大大增加计算 时间。而且整个齿轮的应力分布不均匀,选取所有单元建立的应力响应,无法通过设置一个 上限值达到降低应力的目的。 考虑到齿轮的主要失效形式是齿根断裂, 应该重点关注齿根处的弯曲应力大小, 尤其是 齿根受拉一侧的弯曲应力。 所以本文采取的方法是: 选取齿根附近的单元和接触线附近的单 元分别建立两个应力响应。并将其设置为两个不同的优化约束。根据 3.2 节中静态分析的结 果可知, 齿根附近的弯曲应力值都在 200MPa 左右, 接触线上的最大接触应力为 628.8MPa。 故将齿根应力的上限值设为一个小于原齿根弯曲应力的值,如图 5 所示本文设为 150MPa, 使优化迭代过程向齿根应力减小的方向进行。 由于齿轮失效形式主要是齿根断裂, 接触应力 并不是主要的优化对象, 故将接触应力上限值设为原结构的最大接触应力, 使其在优化过程 中不会增大即可,如图 6 所示将接触应力的上限值设为 630MPa。
图 1 锥齿轮的约束及加载
2.2 计算结果及分析
使用 RADIOSS 进行求解,锥齿轮上的最大接触应力为 628.8MPa,最大弯曲应力为 210.9MPa,应力分布云图如图 2 所示。最大变形为 0.041mm。 根据静态分析结果,锥齿轮最大应力小于材料的屈服强度(835MPa) ,具有结构优化 的潜力,可以用 OptiStruct 对锥齿轮进行拓扑优化。
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Altair2011HyperWorks 技术大会论文集
图 2 锥齿轮应力分布云图
Hale Waihona Puke 3 锥齿轮拓扑优化3.1 优化条件
考虑到锥齿轮与其它零件的装配关系, 应把锥齿轮有限元模型分为设计区域与非设计区 域。由于齿形关系到齿轮的啮合,在拓扑优化过程中不能改变;而齿轮孔与轴的装配关系应 满足相应的设计要求, 在优化过程中也不能改变。 所以应把齿面和齿轮孔壁作为非设计区域, 其单元形状和数量在优化过程中不改变,以保证齿轮的功能及装配性得以实现。利用 organize 工具,把轮齿外圈和轴孔内圈的二维网格移至非设计区域层,再将两个不同层中 的二维网格分别生成对应的三维网格。完成后如图 3 所示。红色部分为非设计区域,蓝色 部分为设计区域。

基于OptiStruct的结构优化设计方法

基于OptiStruct的结构优化设计方法

基于OptiStruct的结构优化设计方法作者:张胜兰优化设计是以数学规划为理论基础,将设计问题的物理模型转化为数学模型,运用最优化数学理论,以计算机和应用软件为工具,在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。

有限元法(FEM)被广泛应用于结构分析中,采用这种方法,任意复杂的问题都可以通过它们的结构响应进行研究。

最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。

一、OptiStruct结构优化方法简介OptiStruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具。

它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化,这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。

概念设计优化――用于概念设计阶段,采用拓扑(Topology)、形貌(Topography)和自由尺寸(Free Sizing)优化技术得到结构的基本形状。

详细设计优化――用于详细设计阶段,在满足产品性能的前提下采用尺寸(Size)、形状(Shape)和自由形状(Free Shape)优化技术改进结构。

拓扑、形貌、自由尺寸优化基于概念设计的思想,作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。

经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化得到更好的方案。

最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻,而性能更佳。

表1简单介绍各种方法的特点和应用。

OptiStruct提供的优化方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化,其稳健高效的优化算法允许在模型中定义成千上万个设计变量。

设计变量可取单元密度、节点坐标、属性(如厚度、形状尺寸、面积、惯性矩等)。

此外,用户也可以根据设计要求和优化目标,方便地自定义变量。

在进行结构优化过程中,OptiStruct允许在有限元计算分析时使用多个结构响应,用来定义优化的目标或约束条件。

OptiStruct支持常见的结构响应,包括:位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构应变能、以及各响应量的组合等。

optistruct拓扑优化方法

optistruct拓扑优化方法

optistruct拓扑优化方法
OptiStruct是一种结构优化软件,它提供了多种优化方法,其中包括拓扑优化方法。

拓扑优化是一种用于在给定设计空间内寻找最佳结构形状的优化方法,以实现最佳的性能和重量比。

在OptiStruct中,拓扑优化方法主要包括两种,基于密度的拓扑优化和基于形状的拓扑优化。

基于密度的拓扑优化是一种常见的拓扑优化方法,它通过在设计空间内分配材料密度来实现结构形状的优化。

在这种方法中,初始设计空间被填充满材料,然后通过逐步移除材料来实现最优结构形状的确定。

OptiStruct使用这种方法来帮助工程师在不同载荷情况下找到最佳的结构形状,以实现最佳的性能。

另一种拓扑优化方法是基于形状的拓扑优化,它着重于优化结构的整体形状,而不是局部密度分布。

通过调整结构的整体形状,可以实现更有效的载荷传递路径和减少应力集中,从而改善结构的性能。

OptiStruct可以使用这种方法来帮助工程师设计出更加优化的结构形状,以满足特定的性能需求。

总的来说,OptiStruct提供了多种拓扑优化方法,包括基于密
度的拓扑优化和基于形状的拓扑优化,工程师可以根据具体的设计需求和性能目标选择合适的方法来进行结构优化,以实现最佳的设计效果。

基于OptiStruct的结构优化设计方法

基于OptiStruct的结构优化设计方法

基于OptiStruct的结构优化设计方法作者:张胜兰优化设计是以数学规划为理论基础,将设计问题的物理模型转化为数学模型,运用最优化数学理论,以计算机和应用软件为工具,在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。

有限元法(FEM)被广泛应用于结构分析中,采用这种方法,任意复杂的问题都可以通过它们的结构响应进行研究。

最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。

一、OptiStruct结构优化方法简介OptiStruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具。

它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化,这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。

概念设计优化――用于概念设计阶段,采用拓扑(Topology)、形貌(Topography)和自由尺寸(Free Sizing)优化技术得到结构的基本形状。

详细设计优化――用于详细设计阶段,在满足产品性能的前提下采用尺寸(Size)、形状(Shape)和自由形状(Free Shape)优化技术改进结构。

拓扑、形貌、自由尺寸优化基于概念设计的思想,作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。

经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化得到更好的方案。

最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻,而性能更佳。

表1简单介绍各种方法的特点和应用。

OptiStruct提供的优化方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化,其稳健高效的优化算法允许在模型中定义成千上万个设计变量。

设计变量可取单元密度、节点坐标、属性(如厚度、形状尺寸、面积、惯性矩等)。

此外,用户也可以根据设计要求和优化目标,方便地自定义变量。

在进行结构优化过程中,OptiStruct允许在有限元计算分析时使用多个结构响应,用来定义优化的目标或约束条件。

OptiStruct支持常见的结构响应,包括:位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构应变能、以及各响应量的组合等。

基于Optistruct的全塑汽车前端模块拓扑优化设计

基于Optistruct的全塑汽车前端模块拓扑优化设计

10.16638/ki.1671-7988.2017.16.035基于Optistruct的全塑汽车前端模块拓扑优化设计阚洪贵,唐程光,李铁柱(安徽江淮汽车股份有限公司,安徽合肥230601)摘要:塑料前端模块技术是关键汽车轻量化技术的之一。

文章针对某车型全塑前端模块结构,通过采用拓扑优化的方法,并结合折衷算法展开多目标的拓扑优化设计,得到全塑前端模块的最优化拓扑结构。

最终通过仿真分析验证,优化后的前端模块在满足设计目标的前提下实现轻量化。

关键字:拓扑优化;前端模块;轻量化;仿真分析中图分类号:U467.1 文献标识码:A 文章编号:1671-7988 (2017)16-99-04Topology Optimization Design of Full Plastic Front End Module Based on OptistructKan Honggui, Tang Chengguang, Li Tiezhui( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )Abstract: Plastic front-end module technology is one of the key automotive lightweight technology.In this paper, based on the full plastic front end module, the topology optimization method is proposed by using the topological optimization method and the multi-objective topology optimization design with the compromise algorithm. Finally, the simulation results show that the optimized front end module to meet the design goals under the premise of lightweight. Keywords: Topology Optimization; Front End Module; Lightweight; Simulation AnalysisCLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-99-04引言汽车轻量化是解决“节能”、“安全”、“环保”的最有效手段之一。

15_基于OptiStruct的商用车轮毂拓扑优化设计

15_基于OptiStruct的商用车轮毂拓扑优化设计

基于OptiStruct的商用车轮毂拓扑优化设计Optimization design of commercial vehicle wheel hub topology based on OptiStruct高银峰1 周德红2(1上汽商用车有限公司技术中心上海200438 2上汽依维柯红岩商用车有限公司零部件事业部重庆400900)摘要:本文介绍使用OptiStruct软件,对上汽依维柯红岩商用车有限公司大扭矩单级减速驱动桥脂润滑轮毂改油润滑轮毂设计方案进行有限元拓扑优化分析,依据拓扑优化结果在CATIA软件环境重构轮毂3D模型,并进行优化前后轮毂在三种典型工况下的对比分析,确定了拓扑优化方案的可行性。

整个优化设计过程中实现了对产品安全性不妥协情况下的减重,拓扑优化后比优化前减重1.5kg,最终比原脂润滑轮毂减重3.6kg,且轮毂应力分布更趋于均匀,材料利用率更高,外观新颖。

因此,在产品设计阶段灵活运用OptiStruct软件提供的拓扑结构优化技术在追求轻量化设计和自主创新的今天具有非常重要的意义。

关键词:OptiStruct 轮毂拓扑优化有限元分析Abstract:This paper describes the use of OptiStruct for topology optimization of oil lubricated, high torque, single-stage reduction drive axle of SAIC-Iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd. Based on the topology optimization results, a hub CAB model was rebuilt in CATIA, and the new design was analyzed under three load-cases to confirm the viability of the design. The weight was reduced by 1.5kg compared to the original grease lubricated design 3.6kg, while the safety was not compromised. The distribution of stress became more uniform. The material utilization and appearance is improved. There is an important significance to use OptiStruct for topology optimization in product weight reduction.Key words:OptiStruct,wheel hub,topology optimization,finite element analysis1概述拓扑优化技术是结构优化技术中有前景,具有创新性的技术,是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布和传力路径,从而在满足各种性能的条件下得到性能最优的设计。

基于OptiStruct的前桥法兰盘轮毂结构拓扑优化

基于OptiStruct的前桥法兰盘轮毂结构拓扑优化

基于OptiStruct的前桥法兰盘轮毂结构拓扑优化Structure topology optimization design of the front axle flange hub based on OptiStruct苏新涛韩培华(北汽福田汽车股份有限公司工程车事业部技术中心长沙410129)摘要:本文针对某法兰盘轮毂结构轻量化设计问题,基于OptiStruct运用拓扑优化的方法,提出一种新型优化方案,该优化方案结构应力水平低、应力分布更加均匀、质量较轻,其结构体现了拓扑优化的效果,从而实现了提升产品结构性能、轻量化及美观化设计的目的。

关键字:OptiStruct 轻量化拓扑优化Abstract: Aiming at the flange lightweight hub structure design and using OptiStruct based topology optimization method, a new optimization scheme is proposed, the optimized structure stress level is low, the stress distribution is more uniform, the quality is light, the structure reflects the topology optimization results, so as to realize the lightweight and aesthetic design while improving performance.Key words: OptiStruct, Lightweight, topology optimization1 前言法兰盘轮毂主要承载汽车的重力以及为轮胎的传动提供精确的引导,是关键安全部件之一,在设计时一定要确保其结构的强度、刚度等基本性能指标。

基于OptiStruct的结构优化设计方法--张胜兰.

基于OptiStruct的结构优化设计方法--张胜兰.

基于OptiStruct的结构优化设计方法张胜兰湖北汽车工业学院汽车工程系基于OptiStruct的结构优化设计方法张胜兰湖北汽车工业学院汽车工程系442002 湖北省十堰市车城西路167号摘要:最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术已逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。

本文总结了OptiStruct结构优化设计方法和特点,从优化设计三要素、迭代算法、灵敏度分析等方面阐述了基于有限元法的OptiStruct 结构优化的数学基础,给出了OptiStruct结构优化设计流程和步骤。

关键词:结构优化,设计流程,有限元优化设计是以数学规划为理论基础,将设计问题的物理模型转化为数学模型,运用最优化数学理论,以计算机和应用软件为工具,在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。

有限元法(FEM被广泛应用于结构分析中,采用这种方法,任意复杂的问题都可以通过它们的结构响应进行研究。

最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。

Altair OptiStruct是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器,拥有全球先进的优化技术,提供全面的优化方法。

OptiStruct从1993年发布以来,被广泛而深入地应用到许多行业,在航空航天、汽车、机械等领域取得大量革命性的成功应用,赢得多个创新大奖。

一、OptiStruct结构优化方法简介OptiStruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具。

它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化,这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。

概念设计优化――用于概念设计阶段,采用拓扑(Topology、形貌(Topography和自由尺寸(Free Sizing优化技术得到结构的基本形状。

详细设计优化――用于详细设计阶段,在满足产品性能的前提下采用尺寸(Size、形状(Shape和自由形状(Free Shape优化技术改进结构。

optistruct拓扑优化原理

optistruct拓扑优化原理

optistruct拓扑优化原理
OptiStruct是一种用于结构优化的有限元分析软件,它使用拓扑优化原理来寻找最佳的结构形状。

拓扑优化是一种通过改变结构的拓扑形状(即结构的布局或连接方式)来实现结构轻量化和性能优化的方法。

在OptiStruct中,拓扑优化主要通过以下步骤实现:
1. 设定设计域,用户首先需要定义一个设计域,即结构可以存在的空间范围。

这个设计域可以是整个结构的空间,也可以是结构的某个局部区域。

2. 设定约束条件,用户需要指定一些设计约束条件,例如结构的最大尺寸、最小厚度、受力范围等。

这些约束条件可以帮助OptiStruct在优化过程中保持结构的可行性和实用性。

3. 设定载荷和边界条件,用户需要定义结构所受的载荷和边界条件,这些载荷和边界条件将影响结构的性能和行为。

4. 进行拓扑优化,OptiStruct将根据用户设定的设计域、约束条件、载荷和边界条件,通过数学优化算法和有限元分析技术,在给定的设计空间中寻找最佳的结构拓扑形状。

在这个过程中,
OptiStruct会自动调整结构的拓扑形状,以满足设计要求并最小化结构的重量或成本。

5. 评估优化结果,优化过程结束后,用户需要对优化结果进行评估,包括结构的性能、重量、刚度等方面。

根据评估结果,用户可以进一步调整设计参数,重新进行优化,直至达到满意的设计目标。

总的来说,OptiStruct的拓扑优化原理基于数学优化和有限元分析技术,通过自动调整结构的拓扑形状来实现结构的轻量化和性能优化,为工程设计提供了强大的工具和方法。

OptiStruct拓扑优化技术在飞机登机门结构设计中的应用

OptiStruct拓扑优化技术在飞机登机门结构设计中的应用

图 1 门梯合一式登机门结构
2.1 踩踏工况有限元模型
对登机门各零部件进行网格划分,赋予零件材料属性参数,机身蒙皮、长桁和框等薄壁 零件离散为 2 维单元,接头、顶杆和连杆等零件离散为 3 维单元,铆钉连接和较小螺栓简化 为 1 维焊点单元(CWELD) ,大螺栓简化为刚性单元(RBE2)和梁单元(CBAR) ,登机门踩踏 工况有限元模型如图 2 所示。
图 5 登机门位移云图
2.3 踩踏分析
飞机结构强度设计的任务是在使用载荷下结构工作应力应不大于材料的屈服应力, 在设 计载荷下结构工作应力应不大于结构的破坏应力。由于现行航空材料的拉伸强度极限 屈服强度极限
b与
0.2 的比值一般均小于 1.5,所以强度校核时只考虑设计载荷下的剩余强度即
可。在强度分析中,剩余强度 的定义如下:
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Altair 2015 技术大会论文集
图 3 登机门边界约束与载荷
2.3 踩踏分析
踩踏工况主摇臂、三角摇臂、辅助摇臂等主承力件应力云图分别如图 4 所示。
图 4 登机门主承力件应力云图 踩踏工况下两名乘客正常登、离机最大位移为 18.02mm,位移云图如图 5 所示。
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Altair 2015 技术大会论文集
优化设计后, 按踩踏工况原加载条件重新计算, 主摇臂初始结构与优化设计应力云图对 比如图 9 所示。
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Altair 2015 技术大会论文集
a)初始结构 图 9 主摇臂拓扑优化前后应力对比
b)优化设计
从计算结果 来看,主摇臂初始设计 最大应力 为 149.1MPa ,优化设计最大应力 为 136.0MPa,最大应力发生在非设计区域,优化前后最大应力有所降低,且主摇臂设计区域 应力水平有了较大改善。

基于OptiStruct的洗衣机皮带轮结构拓扑优化设计

基于OptiStruct的洗衣机皮带轮结构拓扑优化设计

基于OptiStruct的洗衣机皮带轮结构拓扑优化设计基于OptiStruct的洗衣机皮带轮结构拓扑优化设计李西顺程福萍孙运会苏州三星电子有限公司苏州215021摘要:本文针对滚筒洗衣机的皮带轮轻量化设计的问题。

利用HyperWorks软件的OptiStruct拓扑优化功能,优化了皮带轮结构。

本文讨论了两个方案的拓扑优化,方案一是基于铸铝材料的皮带轮进行拓扑优化设计,得到新的结构体积减少6%;方案二是在材料替换的皮带轮结构模型上进行拓扑优化,优化结果体积减少10%。

关键词:洗衣机,皮带轮,拓扑优化,轻量化设计1 概述滚筒洗衣机的皮带轮是洗衣机的一个重要的零部件,在电机和滚筒之间起转乘作用。

洗衣机工作过程中,电机通过皮带带动皮带轮转动,皮带轮转动带动桶的转动,从而实现洗衣服的过程。

当前的滚筒洗衣机所用的主流皮带轮为铸铝材料,由于生产成本的压力,很多企业已经开始重视轻量化的开发,材料的减重以及材料替换等方法,例如替换为工程塑料材质的皮带轮。

在这一开发过程中,不仅要考虑到零部件在各种工况下的可用性,最重要的还要考虑材料的成本问题,即材料的用量。

这便是一个拓扑优化的问题,在保证零部件性能的前提下,尽量使用较少的材料。

HyperWorks产品的OptiStruct模块是一个是以有限元法为基础,面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器,提供了若干优化功能[1][2]。

其中,拓扑优化(topology)是专门寻求结构的最优拓扑问题的一种设计方法,同样也可以认为是一种在给定的设计区域内寻求最优材料分布问题的设计方法[3]。

本文利用OptiStruct对皮带轮进行拓扑优化设计,在保证皮带轮强度的前提下,尽量使用较少的材料,寻求材料的最优分布。

并根据优化结果重新构建模型后,将优化结构与原结构进行比较,以评价优化效果。

2 拓扑优化简介2.1 原理简介拓扑优化方法大致可分为均匀法[4][5]、渐进结构优化法[6]和变密度法[7]等,本文采用的就是基于OptiStruct求解器的变密度法。

基于optistruct的望远镜主框架拓扑优化设计

基于optistruct的望远镜主框架拓扑优化设计

基于OptiStruct的望远镜主框架拓扑优化设计Topologic Optimization Design of Telescope Main Frame Based on Optistruct马肇材1,2,陈华1,2,刘伟1MA Zhao-cai1,2, CHEN Hua1,2, LIU Wei1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;2.中国科学院研究生院,北京 100039)(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)摘要:针对某航空望远镜主结构的重量过高的问题,提出了对航空相机望远镜主框架进行拓扑优化设计的方法。

基于拓扑优化理论,在重力过载的工况下对望远镜主框架拓扑优化,以整个框架作为设计变量,以框架的体积分数和固有频率作为约束条件,选结构的柔度最小化为目标函数,建立拓扑优化模型。

采用MSC.PATRAN/NASTRAN软件对航空望远镜拓扑优化结果进行仿真,分析结果表明,结构的重量减少了77%,结构静态刚度提高,动态刚度符合要求,温度变化环境下光学成像条件改善。

关键词:拓扑优化;刚度;航空望远镜中图分类号:V447.3 (V-航空航天) 文献标识码:AAbstract: In order to reduce the weight of an aerial telescope main structure, a topologic optimization design method of the aerial telescope main frame was presented. The telescope main frame with overloaded gravity was optimized based on topologic theory. The topologic optimization model takes the whole frame as variation, takes volume fraction and natural frequency as computing constrains, takes the maximal structure stiffness as the objective function. The resulted model was analyzed with MSC.PATRAN/NASTRAN software. The result indicated that the structure’s total weight was reduced 77%, the structure’s static stiffness increased, the dynamic stiffness was suitable and the optical imaging condition was improved.Key words: topologic optimization; stiffness; aerial telescope1 引言在航空相机概念设计阶段,为了保证航空相机能适应机载平台上复杂的工作环境(如冲击、振动、高低温变化、低气压等),有良好的成像质量,因此需要相机具有良好的结构刚度的同时也要保证相机反射镜具有良好的热稳定性[1]。

Altair OptiStruct 10.0拓扑优化实例1

Altair OptiStruct 10.0拓扑优化实例1

㓳Ґа˖⊭䖖 㟲Ⲵᾲ 䇮䇑˄OS2010˅㾱≲ ⭘OptiStructs Ո 㜭 ⊭䖖 㟲䘋㹼ᾲ 䇮䇑ˈՈ Ⲵ㔃 нӵ䟽䟿 䖫ˈф┑䏣 䖭㦧 Ⲵ㓖 㾱≲DŽ⊭䖖 㟲 䲀 㖁Ṭ 䇮䇑 ˄㬍㢢˅ н 䇮䇑 ˄哴㢢˅ˈ 1 ⽪DŽ䴦Ԧ 㓖 ⛩˄䖭㦧 ⛩˅Ⲵ ս〫ˈ 䈕⛩к й⿽䖭㦧 ӗ⭏Ⲵս〫 Ѫ0.05ǃ0.02ǃ0.04ˈՈ 䇮䇑Ⲵⴞḷ 㜭 䇮䇑 DŽՈ 䰞仈 䘠 л˖ⴞḷ˖փ〟㓖 ˖ 䖭㦧Ⲵ㢲⛩ 1лⲴ ս〫 Ҿ0.05mm˗䖭㦧Ⲵ㢲⛩ 2лⲴ ս〫 Ҿ0.02mm˗䖭㦧Ⲵ㢲⛩ 3лⲴ ս〫 Ҿ0.04mmDŽ䇮䇑 䟿˖䖭㦧 ⛩1 䇮䇑 н 䇮䇑 Ⲵ 䲀 㖁Ṭ⁑⽪ Ⲵ 䗷〻 л ˖- ḷ䇶 䇮䇑он 䇮䇑 Ⲵ 䲀 ⁑ HyperMesh˗- ѹ⴨ Ⲵ ǃ䗩⭼ Ԧǃ䖭㦧ǃ Ո ˗- ⭘OptiStuct⺞ Ⲵ Ո ˗-㔃 ˄ փⲴ ˅ ԕ Ӿ0 1ⲴӁ 䇮䇑オ䰤ѝ ⽪ˈ䴰㾱 Ⲵ Ⲵ 䎻 Ҿ1DŽHyperMeshѝ ・ 䲀 ⁑ㅜ1↕˖䖭 OptiStruct 䈫 Ԧ1. HyperMesh2. User Profiles 䈍Ṷѝ䘹 OptiStructˈ ⛩ OKDŽ3.⛩ ḿ 䫞Files Panel DŽ ⲴOpen file… 䈍Ṷѝ䘹carm.hm Ԧˈ䈕 ԦսҾ<install_directory>/tutorials/hwsolvers /optistruct/4.⛩ Openˈcarm.hm Ԧ㻛䖭 HyperMesh䘋〻ѝˈ ԓ䘋〻ѝⲴ Ԇ DŽㅜ2↕˖ ・ օ ѹ 䘲Ⲵ㓴Ԧ⽪ ѝ ⭘ Ⲵйњcomponentsһ 㓿 ѹˈԕл䴰㾱 䳶 Ѫ⇿њcomponents ⴨ Ⲵ DŽ1.⛩ Model 䫞ˈ ⁑ ⍿㿸デ к⛩ 啐ḷ 䭞ˈ〫 ḷ㠣Createˈ◰⍫ Ҽ㓗㨌 䘹 Materialˈ 2˖2↕僔1デ2. Nameḿѝ䭞 Steel3. Card imageḿѝ䘹 MAT13↕僔3デ4.⛩ Create/Editˈ5. MAT1㨌 ⭼䶒ˈ䇮㖞EѪ2.0E5ˈNuѪ0.34↕僔5デ6.⛩ return⽪˖ ѝⲴḀа亩⋑ 䍻 ˈ ԕ䙊䗷⛩ 䈕䘹亩 ◰⍫ˈ❦ ⽪Ⲵ䗃 ḿѝ䍻 DŽԕк ・Ҷањ Ⲵ steelˈ ѪOptiStruct Ⲵlinear isotropicˈ ∿⁑䟿Ѫ2E+05ˈ⋺ ∄Ѫ0.3DŽ⭡Ҿ ањ㓯 䶉 䰞仈ˈփ〟 ˈ ↔н䴰㾱 DŽն Ⲵ лˈ 享䇮 DŽ ԕ䲿 ⭘card image 䶒 collectorⲴ ⡷ 䘋㹼 DŽ7.⛩ Model 䫞ˈ ⁑ ⍿㿸デ к⛩ 啐ḷ 䭞ˈ〫 ḷ㠣Createˈ◰⍫ Ҽ㓗㨌 䘹 Propertyˈ8. Nameḿ䭞 design_prop9.⛩ card image= 䘹 PSOLID10.⛩ material = 䘹 Steel11.⛩ Create12. к ・ањ ⲴPropertyˈ Nameḿ䭞 nondesign_prop13.⛩ card image= 䘹 PSOLID14.⛩ material = 䘹 Steel15.⛩ Create16.ӾCollectorsⲴл 㨌 ⛩ Assign䘹 Component Propertyˈ 55↕僔16デ17.⛩ Compˈ䘹nondesign, ⛩ select6↕僔17デ18.⛩ property= 䘹 nondesign_prop19.⛩ assign20.䟽 20-22↕ˈ䇮㖞design_prop design21.⛩ returnㅜ3↕˖ 䖭㦧 load collector↕僔䴰㾱 4њ䖭㦧 load collectorˈ ѪSPCǃBrakeǃCorner Potholeˈ н Ⲵ仌㢢ˈ↕僔 л˖1.⛩ Model 䫞ˈ ⁑ ⍿㿸デ к⛩ 啐ḷ 䭞ˈ〫 ḷ㠣Createˈ◰⍫ Ҽ㓗㨌 䘹 LoadCollector2.⛩ name = 䗃 SPC3. Card imageѝ䘹 ѪNone4.⛩ color 䈳㢢 䟼䘹 а⿽仌㢢5.⛩ Create6. кˈ йњ䖭㦧 ˈ 〠 ѪBrakeǃCorner Potholeㅜ4↕˖ 㓖1. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ SPC ⛩ M ake CurrentˈSPC䇮㖞Ѫ Ⲵ2.ӾAnalysis亥䶒ˈ⛩ Constraintsˈ䘋 ѹ㓖 Ⲵ䶒3.Ӿ䶒 Ⲵ 䫞ѝ䘹 create 䶒4. デ ѝˈ䙊䗷⛩ 䘹 ㇑аㄟⲴ㢲⛩˄ ㄟˈ 7˅ˈ㓖dof1ǃdof2 dof3йњ㠚⭡ ˈdof4ǃdof5 dof6йњ㠚⭡ ⋑ 㓖5.⛩ Createˈ 㓖 ˈ デ ѝ㻛䘹 Ⲵ㢲⛩ ⧠й䀂 㓖 ㅖˈк䗩Ⲵ 123㺘 ⋯x䖤ǃy䖤ǃz䖤 Ⲵ〫 㠚⭡ 㓖7㓖 ㇑аㄟⲴdof1ǃdof2 dof3 йњ㠚⭡6.䘹 ㇑ аㄟⲴ㢲⛩ 㓖 dof 2 dof 3 㠚⭡ ˈ 87.⛩ create DŽ デ ѝ㻛䘹 Ⲵ㢲⛩ ⧠й䀂 㓖 ㅖ ˈк䗩Ⲵ23㺘 ⋯y 䖤ǃz䖤 Ⲵ〫 㠚⭡ 㓖 DŽ8㓖 ㇑ аㄟⲴdof2 dof3 єњ㠚⭡8.⛩ nodes ˈ Ӿ 䘹亩デ ѝ䘹 by id9.䗃 3239 䖖ˈ 䘹 ID Ѫ3239Ⲵ㢲⛩ˈ 9DŽ10.ӵ㓖 dof3DŽ11.⛩ create DŽ デ ѝ㻛䘹 Ⲵ㢲⛩ ⧠й䀂 㓖 ㅖ ˈк䗩Ⲵ3㺘 ⋯z 䖤 Ⲵ〫 㠚⭡ 㓖 DŽ9㓖 ID3239㢲⛩Ⲵdof33239 㢲⛩12.⛩ return䘄 ѫ㨌ㅜ5↕˖ 䖭㦧㢲⛩2699к 䖭йњ⤜・Ⲵ ˈ xǃy z кˈ Ҿbrakeǃcorner potholeйњload collectorDŽ ⭘㺘1ѝⲴ 䖭㦧DŽ փ↕僔 л˖㺘1 Ⲵ䇮Node Id Collector Magnitude Axis2699brake1000x-axis2699corner1000y-axis2699pothole1000z-axis1. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ Brake ⛩ Make CurrentˈBrake䇮㖞Ѫ Ⲵ2.ӾAnalysis亥䶒ˈ⛩ forcesˈ䘋 ѹ䖭㦧Ⲵ䶒3.⛩ nodes 䘹 by id4.䗃 㢲⛩ 2699ˈ 䖖䭞5.⛩ 䖖䭞magnitude= 䗃 1000.0ˈ 䖖䭞6.⛩ magnitude =л䶒Ⲵ ѹ ˈ 㨌 ѝ䘹 x-axis7.⛩ createˈ 㢲⛩2699Ⲵx䖤 1000 սⲴ䳶ѝ ˈ↔ 㢲⛩2699⧠ањ x Ⲵ㇝ DŽ8.ѪҶ 㿶䖭㦧Ⲵ㺘⽪㇝ ˈ 䘹 uniform size= 䭞 100ˈ 䖖䭞9. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ Corner ⛩ M ake CurrentˈCorner䇮㖞Ѫ Ⲵ10.⛩ nodes 䘹 by id11.䗃 㢲⛩ 2699ˈ 䖖䭞12.⛩ magnitude= 䗃 1000.0ˈ 䖖䭞13.⛩ magnitude =л䶒Ⲵ ѹ ˈ 㨌 ѝ䘹 y-axis14.⛩ createˈ 㢲⛩2699Ⲵy䖤 1000 սⲴ䳶ѝ15. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ Pothole ⛩ Make CurrentˈPothole䇮㖞Ѫ Ⲵ16.⛩ nodes 䘹 by id17.䗃 㢲⛩ 2699ˈ 䖖䭞18.⛩ magnitude= 䗃 1000.0ˈ 䖖䭞19.⛩ magnitude =л䶒Ⲵ ѹ ˈ 㨌 ѝ䘹 z-axis20.⛩ createˈ 㢲⛩2699Ⲵz䖤 1000 սⲴ䳶ѝ21.⛩ return Analysis 亥䶒10㢲⛩2699 йњ Ⲵ䖭㦧ㅜ6↕˖ OptiStruct䇮 䗩⭼ Ԧ ѹ DŽ1. Analysis亥䶒䘋 loadsteps 䶒2.⛩ name= 䗃 Brakeˈ 䖖䭞3.⺞䇔typeѪlinear static4.⺞䇔SPC Ⲵ 䘹Ṷ㻛䘹ѝˈ5.⛩ Ⲵ ⴞ Ӿload collectors 㺘ѝ䘹 spc6.⺞䇔LOAD Ⲵ 䘹Ṷ㻛䘹ѝˈ⛩ Ⲵ ⴞ Ӿload collectors 㺘ѝ䘹 brake7.⛩ createˈањOptiStruct brake 㓿 ˈ䈕 Ⲵ㓖 ⭡loadcollectorѝⲴspc ˈ ⭡load collectorѝⲴbrake8. ṧ↕僔 ѹCorner Pothole9.⛩ return Analysis⭼䶒HyperMeshѝ䇮㖞Optimizationㅜ7↕˖Ѫ Ո ѹ䇮䇑 䟿1. Analysis亥䶒䘹 optimization䶒2.䘹 topology䶒3.Ӿ䶒 Ⲵ 䫞ѝ䘹 create 䶒4.⛩ DESVAR= 䗃 design_prop, 䖖䭞5.⛩ props 䘹 design_propˈ⛩ select6.䘹 type: PSOLID7.⛩ Createˈ ѹҶањ Ո Ⲵ䇮䇑オ䰤design_propˈ PropertycollectorѝⲴ Ѫdesign_propⲴ ⧠ 䜭 䇮䇑オ䰤ѝ8.⛩ return䘄 optimization䶒ㅜ8↕˖ ѹ䘉њՈ 䰞仈ѝˈⴞḷ փ〟Ⲵ ˈ㘼㓖 Ⲵ2699 㢲⛩Ⲵս〫DŽ єњ ˖ањ ⭘Ҿ ѹⴞḷⲴփ〟 ˈ ањ ս〫 DŽ ⽪˖⭡Ҿйњ䖭㦧 䜭 ⭘⴨ Ⲵ㢲⛩ս〫 Ѫ ˈ ԕ 䴰㾱 ѹањս〫 DŽ1.䘹 responses䶒2.⛩ response = 䗃 volDŽ3.⛩ ㊫ response type 㨌 ѝ䘹 volume4.⺞䇔regional/total㖞Ҿtotal˄唈䇔 ˅ˈ5.⛩ createDŽ⁑ Ⲵփ〟 vol 㻛 ѹ6.⛩ response = 䗃 disp17.⛩ response type 㨌 ѝ䘹 Static displacementDŽ8.⛩ nodes Ӿ Ⲵ 亩䘹 㨌 ѝ䘹 by IDDŽ9.䗃 2699 䖖DŽ йњ Ⲵ㢲⛩㻛䘹10.䘹 total dispDŽ䘉 xǃyǃzйњ ḷ䖤 Ⲵ ս〫DŽ11.⛩ createDŽ㢲⛩2699Ⲵ ս〫 disp1 㻛 ѹDŽ12.⛩ return䘄 optimization䶒 DŽㅜ9↕˖ ѹⴞḷѝⴞḷ ѹⲴvol փ〟 DŽ1. optimization䶒 ˈ䘹 objective 䶒2.⛩ objective䶒 к䀂Ⲵ䖜 䫞ˈӾ 㨌 ѝ䘹 min3.⛩ response =ˈ Ӿ 㺘ѝ䘹 Vol4.⛩ create5.⛩ return䘄 optimization䶒 DŽㅜ10↕˖ ѹ䇮䇑㓖⇿ањ ˈ ѹⲴ ս〫 disp1 ањкл䲀㓖 DŽ1. optimization䶒 䘹 dconstraints 䶒2.⛩ constraint = 䗃 constr13.⺞䇔upper bound =㻛䘹ѝˈ4.⛩ upper bound = 䗃 0.055.⛩ response = 㺘ѝ䘹 disp16.⛩ loadstepsˈ䘹 brake7. ⛩ select8.⛩ createbrakeˈ disp1к ѹҶањк䲀Ѫ0.05Ⲵ㓖 DŽ9.⛩ constraint = 䗃 constr210.⺞䇔upper bound = 㻛䘹ѝˈ11.⛩ upper bound = 䗃 0.0212.⛩ response= 㺘ѝ䘹 disp113.⛩ loadstepsˈ䘹 corner14.⛩ createcornerˈ disp1к ѹҶањк䲀Ѫ0.02Ⲵ㓖 DŽ15.⛩ constraint = 䗃 constr316.⺞䇔upper bound = 㻛䘹ѝˈ17.⛩ upper bound = 䗃 0.0418.⛩ response = 㺘ѝ䘹 disp119.⛩ loadstepsˈ䘹 pothole20.⛩ create21.⛩ returnє⅑䘄 ѫ㨌potholeˈ disp1к ѹҶањк䲀Ѫ0.04Ⲵ㓖 DŽㅜ11↕˖ỰḕOptiStruct䗃㹼≲䀓 ˈOptiStruct ԕ ⁑ 䘋㹼ṑ傼ˈԕ䇴ՠ⁑ 䇑㇇ 䴰㾱Ⲵ⻱ⴈオ䰤ԕ DŽ ṑ傼䘀㇇ѝˈOptiStructҏՊỰḕ 㹼 Ո 䴰Ⲵ ˈ ⺞ 䘉Ӌ нՊ ケDŽ1. Analysis亥䶒䘹 OptiStruct 䶒2.⛩ input file: ḿ Ⲵsave as…ˈ Save file… 䈍Ṷ3.䘹 ањ⭘ OptiStruct ԦⲴⴞ ˈ File name:ḿѝ䗃 ⁑ Ԧcarm_check.femˈ4.⛩ SaveDŽ.5.fem ԦⲴ ѪOptiStruct䗃 ԦⲴ 㦀 DŽ ⌘carm_check.femⲴ Ԧ ս㖞 ⽪ input file: ḿѝ6.⛩ export options: 䖜 䫞ˈ䘹 all7.⛩ run options:䖜 䫞ˈ䘹 check8.⛩ memory options: 䖜 䫞ˈ䘹 memory default9.⛩ OptiStruct䘉ṧ ҶOptiStructỰḕ䘀㇇ˈа 䗷〻㔃 ˈ ԕ ⲴDOS UNIXデ ѝˈⴻ carm_check.out ԦⲴ ˈ Ԧ䇮㖞Ⲵ ǃՈ 䰞仈Ⲵ䇮㖞ǃ 䘀㹼䇑㇇ 䴰㾱Ⲵ ⺜ⴈオ䰤 Ⲵՠ䇑ǃՈ 䘝ԓ 䇑㇇ 䰤Ⲵ ˈҏ 㜭ⴻ 䆖 䭉䈟 DŽՈ 䰞仈 ・ ↓⺞ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝⲴOptimization Problem Parameters䜘 DŽⴞḷ ↓⺞ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝⲴOptimization Problem Parameters䜘 DŽ㓖 ↓⺞ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝⲴOptimization Problem Parameters䜘 DŽ䏣 Ⲵ⺜ⴈオ䰤䘀㹼Ո ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝDisk Space Estimation Information䜘 DŽㅜ12↕˖䘋㹼Ո ≲䀓䇑㇇1. Analysis亥䶒䘹 OptiStruct 䶒2.⛩ input file: ḿ Ⲵsave as…ˈ Save file… 䈍Ṷ3.䘹 ањ⭘ OptiStruct ԦⲴⴞ ˈ File name:ḿѝ䗃 ⁑ Ԧ arm_check.femˈ4.⛩ SaveDŽ.5.⛩ run options:䖜 䫞ˈ䘹 optimization.6.⛩ OptiStructˈ䘋㹼≲䀓≲䀓㔃 ˈDOSデ ⧠Ā…Processing completeā DŽ ⁑ 䭉䈟ˈOptiStructҏՊ ⽪ 䭉 ↔ carm_complete.out Ԧѝˈ փ 䙊䗷 Ԧ㕆䗁 ḕⴻDŽ≲䀓䗷〻ѝˈ䖟Ԧ㠚 ⭏ ԕл Ԧ˖carm_complete.resˈcarm_complete.hgdataˈcarm_complete.outˈcarm_complete.oslogˈcarm_complete.ossˈcarm_complete.shˈcarm_complete_hist.mvwˈcarm_complete.HM.ent.cmfˈcarm_complete.statㅹˈ䘉Ӌ Ԧarm_check.fem Ԧ ањⴞ ѝDŽ7. 䰝DOSデ ⛩ returnˈ䘋 ѫ㨌 DŽHyperViewѝḕⴻ㔃 ⨶䘝ԓѝˈ 㔃 㻛䗃 carm_complete_des.h3d ԦDŽ ˈ ㅜа⅑ а⅑䘝ԓѝ⇿⿽ ⲴDisplacement˄ս〫˅ Stress˄ ˅㔃 㻛唈䇔䗃 carm_complete_s#.h3d Ԧˈ䘉䟼”#” ⲴIDDŽл䶒 ӻ㓽 օ HyperViewѝḕⴻ㔃 DŽㅜ13↕˖ḕⴻ㔃1. Ԕデ ⴻ Process completed successfully ˈ⛩ 㔯㢢ⲴHyperView 䫞ˈ 㜭 HyperViewˈ 㠚 䖭 㔃 DŽ⁑ 㔃 Ԧ 䖭 HyperViewⲴ デ ⧠ˈ⌘ HyperViewⲴйњн 亥䶒ѝˈ 䖭 Ҷ3њ.h3d ԦDŽ2.⛩ Close 䰝 デ DŽḕⴻ⁑ Ⲵ ⣦ Ҿ 䗩⭼ Ԧ ↓⺞ ѹ ⁑ DŽㅜ1亥 Ո 㔃 ˈㅜ2ǃ3ǃ4亥 ԕḕⴻ 㔃 ˈ3.⛩ ḿNext page 䫞䘋 ла亥䶒DŽㅜ2亥 ⽪arm_complete_s1.h3d Ԧ㔃 DŽ⌘ ˈ↔亥 ѪSubcase 1 –brakeˈ 㔃 о brake DŽ4.⛩ ḿ 䫞Contour DŽ5.⛩ ◰⍫Result type:ḿㅜањл 㨌 䘹 Displacement [v]DŽ6.⛩ ◰⍫ㅜҼњл 㨌 ˈ 䘹 MagDŽ7.⛩ Apply ⽪ս〫Ӂ DŽ8.⛩ ḿ 䫞Deformed DŽ9. Result type:ḿѝ䘹 Displacement [v]ˈ Scale˖ḿѝ䘹 model unitsˈType˖ḿѝ䘹 UniformDŽ10. value: ḿѝ䗃 10ˈ ս〫Ѫ10њ⁑ սˈ ս〫 ∄ DŽ11. Undeformed shape˖л䶒⛩ Show Ⲵл 㨌 ˈ䘹 WireframeDŽ12.⛩ ApplyDŽデ ⧠Ҷ⁑ Ӂ ˈ㺘䶒 Ⲵ Ⲵ㖁ṬDŽ11 ս〫Ӂ13. 12 ⽪ ⭫⁑ ѝ䘹 Linear Static12 ⭫⁑ ㊫14.⛩ 㓯 䶉 ḷ ⁑ ⭫DŽ ⽪ㅜањ brake ⭫ˈ⌘ḷⲴ ˈ䈤 ⁑ DŽ䈧 㘳л 䰞仈˖˄1˅ ㅜањ лˈ Ⲵ䖭㦧 ӰѸ ˛˄2˅ њ㢲⛩Ⲵ㠚⭡ 㻛㓖 Ҷ˛˄3˅䗩⭼ Ԧ ⭘Ҿ㖁Ṭ ˈ ⣦ ↓⺞˛15. GUIⲴ 䜘ˈ⛩ Static Analysis Iteration 0˄ 13 ⽪˅ˈ◰⍫LoadCase and Simulation selection 䈍ṶDŽ13◰⍫Load Case and Simulation selection 䈍Ṷ16. Iteration 18䘹 ㅜ18⅑䘝ԓDŽӁ ⽪ㅜањ brakeⲴㅜ18⅑䘝ԓⲴս〫㔃 ˈ оՈ Ⲵ 䘝ԓ⴨ DŽ17. ⅑⛩ 㓯 䶉 ḷ → ⭫DŽ18.⛩ Next page ḷˈ䘋 ㅜ3亥DŽㅜ3亥 ⽪arm_complete_s12.h3d Ԧ㔃 DŽ⌘ ˈ↔亥 ѪSubcase 2 –cornerˈ 㔃 о corner DŽ19.䟽 2ˉ17↕ ⽪ㅜҼњ ⁑ Ӂ DŽ䈧 㘳л 䰞仈˖˄1˅ ㅜҼњ лˈ Ⲵ䖭㦧 ӰѸ ?˄2˅ њ㢲⛩Ⲵ㠚⭡ 㻛㓖 Ҷ?˄3˅䗩⭼ Ԧ ⭘Ҿ㖁Ṭ ˈ ⣦ ↓⺞?20.⭘ ṧⲴ ⌅ˈỰḕㅜйњ potholeⲴս〫 DŽㅜ14↕˖ḕⴻ 㔃 䶉ㅜ1亥䖭 Ⲵ Ո 䘝ԓ㔃 ˄ ˅DŽ1.⛩ Previous page ḷⴤ 亥䶒 ⽪ѪDesign Historyˈ↔亥㔃⇿а↕Ո 䘝ԓDŽ2.⛩ ḿContour 䫞DŽ3.⛩ ◰⍫Result type˖ḿㅜањл 㨌 ˈ䘹 Element Densities[s]DŽ⛩◰⍫ㅜҼњл 㨌 ˈ䘹 DensityDŽ4. Averaging method˖ḿѝ䘹 SimpleDŽ5.⛩ Applyˈ ⽪ Ӂ DŽ6.䘹 ḿDeformed 䫞DŽ7.⛩ Show˖ḿˈ䘹 Featuresˈӵ ⽪ 㖁ṬⲴ䗩⭼DŽ8. GUIⲴ 䜘ˈ⛩ Design 㘵Iteration 0ˈ◰⍫Load Case and Simulationselection 䈍ṶDŽ9. Iteration 18䘹 ㅜ18⅑䘝ԓDŽ⁑ ѝⲴ 䝽Ҷа⿽ 㢢 ˈ⭘Ҿ㺘⽪ ⅑䘝ԓѝ Ⲵ DŽ䈧 㘳л 䰞仈˖˄1˅ Ⲵ 䜭 䘁1 㘵0?˄2˅ ѝ䰤 Ⲵ ˄ ӻҾ0 1ѻ䰤˅ˈ 䴰㾱䈳 ⿫ DISCRETEDŽ⿫ DISCRETE˄ optimization䶒 opti controlѝ䇮㖞˅ ⭘Ҿ ѝ䰤 Ⲵ 䎻 Ҿ1 㘵0ˈ Ҿ ⿫ Ⲵ㔃 DŽ Ҿ ˈ⧠ Ⲵ㖁Ṭ 㔃 㓿䏣 DŽ㔃 䴰㾱 Ⲵ 䎻 Ҿ1.0ˈ㘼н䴰㾱 Ⲵ 䎻 Ҿ0.0DŽ˄3˅max =ḿѝ ⽪1.0e+00? ⺞ ↔DŽн ˈ Ո Ⲵ䘋〻н DŽ ԕ䘋㹼 Ⲵ䘝ԓ ˄ ˅ ⴞḷⲴ OBJTOLⲴ ˄ optimization䶒 opti controlѝ䇮㖞˅DŽ 䈳 Ҷ⿫ DISCRETEˈ ф˄ ˅ ⴞḷⲴ OBJTOLӽн㜭ӗ⭏ ⿫ Ⲵ䀓˄⋑ Ⲵ Ѫ1.0˅ˈ⭘ 㜭䴰㾱ỰḕՈ 䰞仈Ⲵ䇮㖞DŽ ѹⲴаӋ㓖 㔉 Ⲵⴞḷ л 㜭 ⌅䗮 Ⲵ˄ ѻӖ❦˅DŽ。

基于HyperMesh_OptiStruct的汽车零部件结构拓扑优化设计

基于HyperMesh_OptiStruct的汽车零部件结构拓扑优化设计

Equipment Manufactring Technology No.10,2008优化设计在现代结构设计中占有十分重要的地位,它能使工程设计者从众多的设计方案中获得较为完善的或最为合适的最优设计方案,是虚拟设计和制造的重要环节,并贯穿于设计和制造的整个过程。

结构优化设计通常可根据设计变量的类型划分为尺寸优化,形状优化,和拓扑优化三类。

目前,尺寸优化的理论和应用已趋于成熟,形状优化的理论已经基本建立,正在着重解决实际应用方面的问题。

结构的拓扑优化由于其理论和计算上的复杂性而成为结构优化设计中最富挑战性的研究领域[1]。

一方面拓扑优化大大减少了建模方面的工作量,另一方面它可以在改善或保持结构性能的基础上大大减轻结构的质量。

近年来,随着汽车工业的快速发展,日益突出的能源问题和为了满足对汽车设计的新要求,对汽车零部件和机械结构开展拓扑优化设计具有重要的意义。

1连续体结构拓扑优化的方法及常用算法1.1连续体结构拓扑优化的方法连续体结构拓扑优化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。

在进行连续体结构拓扑优化设计时,其初始设计区域一般采用基结构法进行描述。

所谓基结构法,就是把给定的初始设计区域离散成足够多的单元,形成由这些若干单元构成的基结构,再按某种优化策略和准则从这个基结构中删除某些单元,用保留下来的单元描述结构的最优拓扑。

基结构法可借用有限元分析时所使用的网格单元,只需在优化初始阶段进行一次网格划分,在整个优化过程中可保持网格划分不变,这使得基结构法较易实现,称为目前结构拓扑优化中应用最为广泛的方法。

连续体结构拓扑优化多采用基结构法的拓扑优化方法主要有以下三种[2~3]。

1.1.1均匀化方法均匀化方法就是以Bendsoe、Kikuchi提出的均匀化理论为基础引入微结构,将设计区域离散成许多带有孔洞的微结构单胞,对连续体进行拓扑优化,通过优化计算确定其材料密度呈0~1分布,由此得出最优的拓扑结构。

基于Optistruct拓扑优化的应用研究的开题报告

基于Optistruct拓扑优化的应用研究的开题报告

基于Optistruct拓扑优化的应用研究的开题报告一、研究背景及意义:随着现代工业领域的快速发展,设计复杂度和工程制造难度不断增加。

如何减少工程设计成本、优化工程性能、缩短产品设计周期,成为工业制造企业面临的严峻问题。

结构优化是一种应用广泛的工程设计方法,通过传统优化方法(如基因算法、遗传算法、蚁群算法等)可寻找到局部最优解,不足以满足复杂工程优化的要求,该领域不断涌现新的优化技术,其中拓扑优化是近年来比较热门的优化方法。

拓扑优化是一种基于材料在空间内分布的优化方法,可以通过减少材料的使用量来优化物体的设计,用于减轻结构重量和提高结构刚度,增加产品的使用寿命,同时减少产品的成本。

其中Optistruct是拓扑优化领域内权威的优化软件之一,它提供了基于拓扑优化的多种方法,包括有限元和数据驱动的优化算法,为工业制造企业提供了一种高效的结构优化设计方案。

因此,对于Optistruct拓扑优化的应用研究,具有重要的理论和实际意义。

二、研究内容:本研究将以Optistruct拓扑优化为研究对象,探究其在复杂工程结构设计中的应用,主要包括以下方面:1、Optistruct拓扑优化的原理及优化算法:研究Optistruct拓扑优化的原理,掌握其基本优化算法,提高基本优化算法的运用水平。

2、结构拓扑优化的算法研究:了解当前主流的结构拓扑优化算法,对各种算法进行梳理分析,提取出优点和不足,并进行算法改进。

3、Optistruct拓扑优化在复杂工程设计中的应用研究:以飞机翼、汽车车身和发动机等复杂工程结构为研究对象,探究Optistruct拓扑优化在复杂工程结构设计中的应用,验证其实用性和有效性。

三、研究计划及预期成果:1、研究计划:第一年:研究Optistruct拓扑优化的基本原理和算法,并进行算法改进。

第二年:以复杂工程结构为研究对象,探究Optistruct拓扑优化在复杂工程设计中的应用。

第三年:完成研究报告撰写和论文发表。

基于OptiStruct车架拓扑优化设计

基于OptiStruct车架拓扑优化设计

Internal Combustion Engine &Parts0引言重型载货汽车是公路货运的主要力量,在国民生产中发挥着重要的作用,而车架作为重载汽车的承载基体,安装有发动机、驾驶室、传动系、货箱等相关部件,并承受来自路面以及汽车内部的各种力和力矩,理想的车架设计可以保证其在最小质量的基础上拥有足够的强度、刚度和可靠性,能有效改善整车动力、经济、安全等性能指标。

因此,对车架进行结构优化,可以有效改善重型载货汽车性能,从而推动国民经济建设发展。

1OptiStruct 简介OptiStruct 是一款优秀的有限元结构优化软件,为HyperWorks 自带的优化求解器。

可用于产品的概念设计和细化设计。

用户只要使用其中的标准单元库以及各种边界条件类型,就可以进行自然频率和线性静态优化分析。

HyperMesh 与OptiStruct 的图形接口十分完善,可以很方便地在HyperMesh 中建模,设置好参数后递交OptiStruct运算求解。

OptiStruct 的优化功能包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化,可以将位移、应力、应变、结构柔度等定义为响应,也可以定义各种响应量的组合。

设计变量可取单元密度、节点坐标等。

用户还可根据自己的优化目标和设计要求,在软件中写入自编的公式进行优化设计。

本文所用的OptiStruct 优化功能是拓扑优化。

应用Optstruct 进行拓扑优化的流程如下:①在前处理软件中建立模型;②设定优化步骤;③导入到OptiStruct 中求解;④在后处理软件中分析结果,若结果不满意则返回修改再提交计算,直至结果满意。

2车架拓扑优化建模这里着重对车架的横梁分布做优化分析,需要对原车架模型做修改得到拓扑模型,由于车架为边梁式车架,可将车架两根纵梁之间的空间用相同的材料填满,从而构成三维拓扑模型,有时为了节省计算资源也可抽取车架三维4结论本文通过开发数据读写OPC 客户端,实时的将运动控制卡的输出信号写入OPC 服务器,并以OPC 服务器为通信桥梁成功的搭建出硬件在虚拟仿真回路,实现了上位机通过硬件控制器控制仿真模型的目的。

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基于OptiStruct的齿轮拓扑优化
作者:Simwe 来源:Altair发布时间:2013-03-25 【收藏】【打印】复制连接【大中小】我来说两句:(0) 逛逛论坛
基于OptiStruct的齿轮拓扑优化
罗利龙倪迎鸽王文智
西安710072
摘要:借助于Altair公司HyperWorks中OptiStruct模块,完成了对齿轮轮辐区的拓扑减重。

介绍了OptiStruct拓扑模块用到的优化方法及原理,以及控制优化稳定收敛和可生产性的相关设置。

优化结果减重效果明显,生产工艺简单。

关键词:OptiStruct,拓扑,齿轮,可生产性
0概述
近几十年来,人们的日常生活正在向高度机械化发展,人类很多行为都在逐步被一些高精度的机械设备所代替,而机械传动装置是各种机械设备实现其基本价值不可或缺的部分,其中齿轮传动又是最重要的传动装置之一。

据史料记载,远在公元前400~200年的中国古代就开始使用简单的齿轮传动,作为人类伟大的四大发明之一的指南针就是以齿轮传动为主要机械装置。

而近代直到18世纪,欧洲工业革命以后,齿轮传动的应用得到了飞速发展,从摆线齿轮到渐开线齿轮,直到20世纪初,齿轮传动以其平稳性、精确性、高效性、长寿命等优点得到了广泛应用。

齿轮被定义为轮缘上有齿的、能够连续啮合传递运动和动力的机械元件。

在近代的欧洲,很多人针对齿轮的齿形和齿数开展了大量的研究和改进工作。

从最初的摆线齿轮到现在的渐开线齿轮,从圆柱齿轮、锥齿轮再到曲线齿轮,人们根据更加先进合理的理论设计初适用于各种工况的齿轮,最终形成了一套标准供后人去参考查询。

到现在为止,齿轮的理论已经发展的较为成熟,现在机械设计时基本都是直接参考设计标准,从标准中选择合适的齿轮应用。

这样做的好处在于标准齿轮生产工艺成熟、与其它齿轮等传到装置的配合简单。

但是,考虑到航空航天等一些以减重为重要指标的设计行业,只是从标准中选择就显得有些古板,但是完全重新设计又涉及到整个传动系统的重新设计。

本文以飞机上某折叠机构齿轮为模型,在不改变齿数、齿形等参数的情况下借助Altair公司的HyperWorks软件对齿轮的轮辐区进行了减重拓扑设计,目的在于不影响结构传递运动和力的前提下尽量减小齿轮重量。

HyperWorks自带的优化模块包含了丰富的优化设置,可以解决多种多样的从拓扑到尺寸的优化设计。

本文需要用到OptiStruct模块来完成拓扑优化,OptiStruct采用变密度法的材料插值模型来定义材料的流动规律。

通过OptiStruct中先进的近似法和可靠的优化算法可以搜索得到最优的加载路径设计方案。

与此同时,OptiStruct还可以考虑优化模型的可加工性,如对称约束、铸造结构的拔模方向等。

设计完成以后还可以使用OSSmooth工具将优化结果生成为IGES等格式的文件,再到CAD软件里进行设计。

1OptiStruct的拓扑优化理论
上节已经说到OptiStruct通过使用变密度法定义材料的,下面以变密度法为例简单概述其原理。

对于变密度法,以每个单元的密度直接作为设计变量,在0~1之间连续变化。

0和1分别代表这个单元完全删除和完全存在。

基于这种方法,材料的刚度被假想成与密度成函数关系,对材料的表示与我们通常对材料的理解一致。

通过改变低效率单元的设计变量(即密度)来实现单元的删减。

同时为了保证不出现过多的中间单元和数值奇异现象,规定单元设计变量最小是一个很小的数字(例如0.0001),并且使用合理的中间密度惩罚函数使设计变量尽量的向0和1靠拢。

变密度法即适用于各向同性材料也适用于各向异性材料。

2建模及网格划分
文中齿轮标准尺寸是按照齿轮传动设计手册查到的,是一个标准的渐开线齿轮。

其基本参数如下:
结构几何参数:z=30, m=1;齿宽b=5mm
物理参数:弹性模量E=210GPa,泊松比v=0.3,密度p=7.85e3kg/m3
其标准模型的CAD图如图1所示。

最初的模型由CAD软件创建完成,再以IGS格式导入到HyperWorks工作平台。

由于需要对轮辐区进行拓扑减重,标准齿轮中轮辐区的四个减重孔已经填平。

图2给出的就是需要进行拓扑优化的完整模型。

图1标准齿轮模型图2优化设计齿轮模型
在HyperMesh模块完成网格的划分。

由于考虑到键槽不可或缺,所以以键槽的最高点画圆将轮辐区切分成两个部分。

与此同时,轮齿以及齿根凸台如果一起划分六面体网格,所得到的网格质量很差,因此在齿根部分也画圆切分。

切分完成以后的模型见图3。

除轮齿以外的三个部分采用六面体网格,轮齿采用四面体网格。

网格划分完以后得到的模型如图4,可以看到网格质量较好。

中间红色区域为本文所要优化的设计区。

图3完成切分的齿轮图4划分完网格的齿轮
3优化设置及结果分析
齿轮模型的边界条件为在中间孔内壁和键槽与轮辐接触的两个侧面上的所有节点加固支约束,从而模拟通过键连接使齿轮和中轴(未画出)刚性连接。

实际工况中需要给齿轮的一条啮合线上沿转动方向加320N.mm的扭矩,文中模型将这一载荷简化为一系列多个垂直于齿面且在某一条啮合线上的多个点载荷,其中每个点上的载荷大小由以下公式计算得到:
其中F为每个集中载荷的大小,N为集中载荷的个数,L为集中载荷作用点与转动中心的距离。

其中L为15mm,N为17个,计算得到每个集中载荷的大小F为1.2549N。

拓扑优化设计区(图4中红色部分),非设计区为设计区以外的全部模型;
约束设计区的剩余体积分数最大80%,最小20%;
优化目标取位移最大的点的total disp最小。

此外,在约束卡片中还添加了对棋盘格现象和其它一些数值不稳定现象的控制如图5所示。

图5数值不稳定的设置
考虑到齿轮为旋转结构,如果材料分布不以重心对称就会产生很大的转动惯量,不利于系统受力,在优化的时候先以沿厚度方向和垂直面方向加了三面对称,优化后的结果如图6所示:
图6三面对称约束优化结果
此外,把三面约束换成周向循环对称约束同时考虑沿厚度中面向两侧的拔模约束,优化后的结果如7图所示:
图7循环对称约束优化结果
三面约束的结果比初始优化模型减重40%,优化后的轮辐区与已有的一些标准齿轮有相似之处,但文中模型在保证传力和运动的前提下减重效果更好。

再者,轮辐区可以单独进行生产,对该模型进行一定的广顺和圆整,就可以使用铣切甚至铸造的方式获得。

如果将轮辐区单独生产,再通过螺钉等连接形式进行装配,那么生产工艺将更加简单,该模型的适应性也将大大提高。

相比而言,循环对称约束的结果减重达到65%,优化后的轮辐区呈现飞盘状。

旋转结构采用这样的材料分布形式的合理性已经被很多实际存在的结构所证实。

再者,该优化结果更适合通过铸造来加工制造,生产工艺也比较简单。

4总结
本文通过使用OptiStruct完成了对齿轮结构的拓扑优化设计,通过加载不同的对称约束,在保证传递运动和力的前提下分别减重40%和65%,效果相当明显。

且优化结果生产工艺难度并未增加。

本文的主旨在于抛砖引玉,以一个小齿轮的优化为引子,来说明使用
OptiStruct对很多标准结构在选用的时候可以根据实际情况做一定的改进和减重设计,这样打破常规,往往能够获得意外的好结果。

HyperWorks软件集成的工具还有很多,不过从本文简单的算例中已能看出其实用性和准确性,其工程使用价值是很大的。

5参考文献
[1]张胜兰等编《基于HyperWorks应用实例》
[3] HyperWorks Users Manual, Tutorials:Altair
[4]王春会连续体结构拓扑优化设计西北工业大学硕士学位论文2005
[5]张展主编《实用齿轮设计计算手册》机械工业出版社2011
Topology Optimization of Gear Based on OptiStruct
Luo Lilong Ni Yingge Wang Wenzhi
Abstract:By means of OptiStruct, one module of HyperWorks developed by Altair, topology optimization of the gear spokes is completed. The methods and principles of optimization in OptiStruct topology module are introduced. Setting of convergence control and manufacture constraints are also discussed. The optimized results imply that this method could reduce weight obviously and could be produced with simple process.
Key words: OptiStruct topology gear producibility。

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