针对汽车钢制车轮研发周期长和生产成本高的问题,以15×5J钢制车轮为例,基于ANSYS Workbench 19.2软件完成车轮重要尺寸的参数化建模并创建车轮弯曲疲劳试验有限元模型,采用优化空间填充设计法,生成车轮重量及Mises应力的试验数据,获得车轮重量及应力响应面,最终在短期内成功确定车轮最优轻量化数模并应用于生产。实物测试实验结果表明轻量化测试车轮符合SAE标准,车轮厚度是最重要的安全影响因素且不应小于4mm,优化后车轮减重3.69%,测试验证了仿真结果的正确性。

针对传统的载货汽车动力学模型在整车平顺性仿真分析时,存在的仿真精度低、仿真效率慢等问题,应用HyperMesh软件建立柔性车架,导入到ADAMS软件中建立刚柔耦合整车动力学模型;并通过实车道路试验,验证所建立的刚柔耦合整车模型的正确性。选取驾驶室前、后悬置参数和前、后桥处的减振器特性曲线参数为设计变量,通过灵敏度分析,筛选出优化参数,以驾驶室座椅导轨处的垂向加速度有效值(RMS)为输出响应,用最小二乘法在MATLAB中拟合出响应面近似模型。利用粒子群优化算法对响应面近似模型在优化参数可行域内寻优,给出了优化结果。结果表明,载货汽车行驶平顺性得到了较明显改善。

为确保活塞能够正常、稳定运行,对其进行了有限元分析,并对重要尺寸进行参数优化研究。首先采用ANSYS Workbench中的DM模块进行参数化建模,然后对其进行静力学分析与模态分析,得到最大变形位置与应力集中点。以此为依据,采用响应面法对其重要尺寸进行了敏感性分析与优化设计。结果表明活塞总成的总体变形量降低了6.4%,最大等效应力也有所降低,有效提高了活塞总成的强度并降低了其形变量。

为了获得机械结构的精确模型,采用以逆响应面的有限元模型修正理论为基础的方法。逆响应面法直接拟合出设计参数(密度、弹性模量等)关于特征参数(固有频率等)的显式表达式,以特征参数目标值带入逆响应面函数得到修正后的设计参数值,相较于响应面法,无需迭代寻优,减少计算工作量。以齿轮轴和磨机传动轴为例,实现了以逆响应面法为基础的有限元模型修正,并计算修正前后模态频率误差,结果显示逆响应面法模型修正效果较优于响应面法,进而验证了逆响应面法在机械结构动力学特性分析中的有效性。

联板类电力金具是超高压输电线路重要零部件,其性能关系到输电线路的安全稳定运行。为了设计得到结构强度高、质量轻便的超高压输电线路联板类电力金具,集成层次分析法、质量功能展开及ANSYS Workbench有限元仿真三种方法,得到针对超高压输电线路联板类电力金具结构的创新设计流程。利用该流程,以分裂悬垂联板为例,设计得到了一种具有高客户满意度、结构强度高、质量轻、高可靠性的新型分裂悬垂联板结构。在ANSYS Workbench软件的De?sign Exploration优化模块中,对初始设计方案进行结构优化,利用响应面法对小联板组厚度、角钢厚度和顶部联板孔距三个设计变量建立了二次回归模型,并利用MOGA算法对回归模型进行多目标优化,优化后的结构相对原设计方案安全系数提高了45.71%,质量下降了8.42%。

基于Design Expert软件,采用响应面法(RSM)分析了玄武岩纤维(BF)长度和体积掺量对再生粗骨料替代率为20%的玄武岩纤维再生混凝土(BFRAC)力学性能的影响。结果表明:BF体积掺量对BFRAC力学性能的影响程度大于BF长度;对于抗折强度、劈裂抗拉强度和抗压强度,对应的BF最佳掺量分别为0.2%、0.1%和0.2%。

以大曲率半径TC4钛合金板材零件为研究对象,依照响应面法设计实验,对零件进行冲击液压成形回弹实验研究,制定了用于描述大曲率半径零件回弹的评价指标,获得不同工艺参数下TC4钛合金板材的回弹量。研究了气压、压边力以及不同曲率半径模具对TC4钛合金板材冲击液压成形回弹量的影响规律,并建立了回弹量的响应模型,得到了最佳工艺参数组合。结果表明,相比于准静态成形,冲击液压成形能够显著减小钛合金板材零件的回弹量。同时发现,回弹量随着气压和模具曲率半径的增加而减小,压边力对回弹量的影响不明显。当气压超过一定值时出现负回弹,而且模具的曲率半径越大,负回弹的绝对值越大,压边力越大,负回弹的绝对值越小。

采取结构拓扑优化与响应面法相结合的方法,对液压机悬挂夹紧装置存在的设计冗余问题进行结构尺寸优化。首先,在ANSYS软件中分析网格划分方式,得出同时满足计算精度和收敛速度的网格划分方式,并基于该网格划分方式对悬挂夹紧装置进行静力学分析及拓扑优化,得到了新的结构形式;然后,根据此结构形式设置了4个尺寸变量;最后,以悬挂夹紧装置最大等效应力最小为优化目标,通过响应面法建立了最大等效应力与各尺寸变量间的二次多项式回归方程,得到了最大等效应力最小时各尺寸变量的值,并通过ANSYS仿真对结果进行验证。结果显示,优化后悬挂夹紧装置质量减轻16.8%,最大等效应力减少21.9%,既保证了足够的强度,也完成了轻量化设计,为工程实践设计提供了参考。

航空发动机机匣为加筋肋薄壁壳体结构,加筋肋形状和位置的优化可以起到抑制共振、提高结构强度的作用。通过有限元软件对加筋肋薄壁机匣模型的振动特性和强度特性进行计算分析,并进行模态试验验证。采用响应面法分别以振动特性和强度特性为目标对加筋肋位置及形式进行单目标优化设计,并在此基础上进行了综合优化设计,最后通过模态试验和有限元计算,验证了优化结果的准确性。分析表明,在保证加筋肋截面面积不变的情况下,单目标优化设计在不考虑其他影响因素的条件下能使薄壁加筋肋机匣减振效果或结构强度明显提高,综合优化设计能按照设计要求使薄壁加筋肋机匣的减振效果和强度同时达到要求。

为解决湿式驱动桥壳结构传统优化中的低效性和不确定性,提出了一种将响应面模型与可靠性相结合的优化设计方法。该方法从建立全液压湿式驱动桥壳有限元模型出发,结合拉丁方试验设计方案,利用最小二乘法构建驱动桥壳的二阶响应面近似模型。在此基础上,以驱动桥壳最大应力最小为优化目标,以驱动桥壳结构几何参数为设计变量,建立可靠性优化模型。对某驱动桥壳的优化结果表明,优化后的桥壳最大应力降低了10.91%,桥壳质量降低了10.93%,在满足相应强度要求的条件下有效降低桥壳的质量,达到可靠性设计的目的。