为了在保证耐撞性的前提下实现汽车吸能盒的轻量化,通过有限元碰撞仿真对比确定了符合要求的吸能盒结构,并采用基于近似模型的优化方法获得了性能最优的多腔结构吸能盒设计方案。首先建立了多种截面形状吸能盒的有限元模型,使用有限元软件进行了碰撞仿真分析。通过对单腔结构吸能盒与不同截面的多腔结构吸能盒的碰撞性能进行评价与决策,确定了符合要求的吸能盒截面形状。其次对此截面吸能盒的内外壁厚进行试验设计,拟合了碰撞性能参数的响应面模型,建立了以吸能盒内外壁厚作为设计变量,以比吸能最大作为目标函数的数学优化模型,并进行了优化设计。结果表明,采用该方法得到的最优方案能够在保证碰撞安全性的基础上实现多腔结构吸能盒的轻量化设计。

论文以石油钻机井口钻柱冲卸扣和旋扣机械化作业设备—铁钻工冲扣钳壳体为研究对象,根据力学分析计算结果,基于Solidworks三维建模软件对冲扣钳壳体的重要组成板件进行参数化的建模,建立了壳体重要零件的结构优化数学模型,在不改变冲扣钳壳体各零件之间的配合的前提下利用ANSYS Workbench有限元软件对冲扣钳壳体尺寸参数进行了轻量化设计,同时对零件尺寸进行了敏感度分析。通过轻量化设计,在满足工作要求及强度和刚度条件下可将自重相对减小11.2%,减少了材料成本,为铁钻工冲扣钳的设计研制提供了理论依据。

斜拉桥的自动化、智能化检测是今后的发展趋势,目前已研发的拉索检测机器人都存在质量较大的问题,很难得到工程实际应用。针对课题组前期研制的第一代爬升装置样机质量大、爬升速度较慢等问题,对其进行了受力分析与静应力分析,得出了优化的可能性。提出了零件板厚为优化参数,强度变化率为约束条件的尺寸优化模型,利用差分进化算法求取最优解,得到了机架的最优板厚,同时通过拓扑优化得到各零件最佳结构,以及通过受力分析对螺栓的尺寸与数量进行了优化。优化结果表明爬升装置减重3.9kg,减重比例达到了40%,同时机架的变形量大幅减小,强度满足要求。对优化后的爬升装置进行了动力学仿真分析,结果表明最大爬升角度达到了75度,爬升速度提升了2-4倍,其动力性得到极大的改善。

蓄电池托盘是保障蓄电池安装可靠性的重要结构件,为实现轻量化设计,以某车型蓄电池托盘为原型,采用短切玻纤热塑性复合材料(FRTP)代替原钢质材料,从性能要求入手重新对托盘结构进行设计,根据成型工艺和安装要求对托盘结构进行优化。使用SolidWorks软件建模,并导入Hyper Works中对托盘典型工况进行仿真分析,结果表明,短切玻纤FRTP蓄电池托盘刚度和强度满足性能要求,应力安全系数优于钢质托盘,吊耳位置的应力集中得到了改善,蓄电池托盘设计安全可靠,同时质量较钢质材料托盘减重40.74%,实现了轻量化设计的目标。因此,蓄电池托盘采用短切玻纤FRTP具有工程应用价值。

为实现某航空机载设备的轻量化,采用碳纤维增强塑料构件代替铝合金构件,同时要求在飞机的振动环境下能保证机载设备的刚度要求。根据碳纤维增强塑料的成型方式,将原结构的三个铝合金构件设计为一个碳纤维增强塑料构件,通过初步的静力学分析确定了三种方案中的较优结构。采用UG与ANSYS Workbench的联合仿真,建立了该方案的参数化模型,将弧度、侧边折回长度和上部加强筋的尺寸作为设计变量,整体结构的固有频率作为目标函数,利用响应面法对构件进行优化设计,确定了该构件的最佳尺寸。最后使用该最优解进行随机振动分析,在X、Y、Z方向上分别施加加速度谱密度后,整个结构不会发生共振问题,而且在各方向的变形均满足设计要求,从而确定了该碳纤维增强塑料构件的最优结构。

理论推导了空心簧丝圆柱螺旋弹簧受压时的最大剪应力和刚度。基于给出的弹簧实例数据,分析了空心簧丝弹簧的刚、强度性能与重量之间的变化关系。研究结果表明随着簧丝内径的增加,弹簧刚度逐渐降低;当弹簧刚度下降5%时,弹簧减重22.28%;该点被认为是刚度下降尽量小、重量下降尽量多的最佳设计点..随着簧丝内径的增加,弹簧强度逐渐降低;当弹簧强度下降5%时,弹簧减重21.86%;该点被认为是强度下降尽量小、重量下降尽量多的最佳设计点。

为提高铁轨S型支脚焊接质量与生产效率,设计了一种基于安川弧焊机器人的焊接工作站。首先,根据铁轨支脚焊接特性及安全防护等功能需求,确定了基于安川MA2010弧焊机器人与双工位单轴变位机的焊接工作站总体方案;基于“六点定位”原理设计了夹具系统机械结构,并完成气缸选型设计;采用MOTOSIM运动仿真软件,进行夹具系统焊接过程运动仿真与干涉性分析,验证焊接方案的可行性;利用拓扑优化理论对夹具体进行轻量化优化设计,优化后夹具体质量比优化前减少了21.76%;结合夹具系统定位及夹紧的功能需求,基于Device Net扩展基板进行控制系统设计,实现了对夹具系统的远程控制。最后,制定了焊接正交试验方案,完成焊接工艺参数优化与焊接性能试验。试验结果表明,该焊接工作站能满足S型支脚焊接需求,可为板材类工件的机器人自动焊接系统设计提供参考。

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有抗热冲击、抗拉强度高、耐腐蚀等优点,已广泛应用在机器人、航空航天、工程装备及其他领域,用CFRP来制备液压缸能够大幅度提升液压系统的轻量化的水平,帮助系统降低能耗。本文从复合材料缸筒、活塞和活塞杆、成型工艺、密封润滑和发展趋势五个方面综述了CFRP液压缸的发展现状,介绍缸筒和活塞中金属与复合材料之间的联接方法及多材料设计的参考准则,并对手糊式、缠绕式、拉挤式、树脂传递模型成型等加工工艺进行介绍,然后讨论了CFRP液压缸存在的密封、摩擦、动态响应等问题,最后从涂层、加工、后处理给出了碳纤维液压缸的发展趋势。

用Solid Works三维软件建立龙门式加工中心横梁结构的立体几何模型,其中横梁内部的筋板布置采用“O”型筋板,按照分析方案的设计,将三维模型导入到ANSYS Workbench中进行静力学分析以及模态分析,分别得到其静变形参数和前六阶模态振型;通过灵敏度分析得出最终设计变量,就是以横梁上下左右壁厚、中间O型筋板、后壁筋板、两边O型筋板厚度为设计输入变量;以横梁质量、横梁总变形、横梁一阶固有频率为设计输出变量,得到筋板最优尺寸参数。使其横梁结构总变形减少16.02%,1阶固有频率提高2.94%,质量减少129.9 kg,占比8.3%,实现了龙门式加工中心横梁结构的轻量化设计。

建立基于ANSYS的挖掘机推土装置有限元模型，进行危险工况下有限元结构静力分析，运用ANSYS进行结构优化设计，以推土装置整体总质量为优化目标，在保证足够强度和刚度的条件下，通过拓扑计算提出推土装置轻量化设计最优方案。