针对传统设计方法下地铁车钩维护工作台尺寸与重量偏大,使得材料成本增大的问题,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法,通过构建拓扑优化模型和尺寸优化模型,进行了从车钩维护工作台拓扑结构到各尺寸参数的优化过程,实现了车钩维护工作台的轻量化设计。在轻量化设计过程中,通过结构的拓扑优化设计得到了材料在设计空间内的最佳分布,在此基础上提取车钩维护工作台拓扑结构,并通过相对灵敏度分析,筛选出对车钩维护工作台质量降低敏感但对性能降低不敏感的设计变量,最后以筛选出的6个变量作为设计变量进行尺寸优化设计。结果表明优化后的车钩维护工作台强度有所提高,刚度满足设计要求,并且实现减重49.28kg,减重率为30.73%,轻量化效果显著。

针对云量子遗传算法早熟收敛、搜索速度慢等缺陷,进行如下改进对量子染色体编码初始化进行优化,使算法拥有更高的收敛性;采用X条件云发生器改变交叉和变异方式实现染色体重构及算子生成;对旋转量子门进行动态调整;结合优化对象改进了算法收敛准则。为验证改进算法以及实现桥式起重机主梁快速设计,以改进算法为优化核心搭建了桥式起重机主梁快速轻量化设计系统,将系统应用于某公司QD型桥式起重机主梁设计,结果表明所搭建系统可大大缩短桥式起重机主梁优化的设计周期,优化后主梁截面积满足设计要求,实现了主梁快速轻量化设计的目标。

为加强齿轮刚度和对外界激励的抑制能力,减少齿轮制造的材料使用率,引入多目标拓扑优化理论并运用OptiStruct对齿轮最佳结构进行设计。首先,依据齿轮的实际工作状况,基于HyperMesh分别以刚度和一阶固有频率为优化目标,以优化前后体积比为约束条件构建齿轮的SIMP优化模型并运用OptiStruct进行求解。然后,采用折衷规划法定义多目标函数,基于层次分析法计算决策矩阵并确定多目标函数的权重因子。最后,运用OptiStruct求解出齿轮结构的最佳材料分布。优化结果表明,优化后的齿轮不仅提高了力学性能和抑制振动能力,还降低了齿轮材料的使用率,实现齿轮结构的轻量化设计。

点阵结构是一种先进的轻质功能结构,在航空航天领域应用越来越广泛,设计出满足特定功能需求的点阵结构来拓展零件功能,是当前需要解决的关键问题之一。基于拓扑优化原理进行点阵结构的设计,对多种点阵结构的性能进行了仿真分析和物理实验分析,并对实验结果进行了对比。对主要受拉压应力的连杆填充相应的点阵结构进行轻量化优化设计,结果表明,采用点阵结构填充后的试验件质量减小了1/3,比刚度是原来的1.9倍。

为了在减轻地铁车辆拖车轮对运输工装重量的同时,提高优化设计的可靠性与稳健性,在轻量化设计中充分考虑尺寸参数的不确定性信息,通过引入6稳健设计理念,将响应面法、轻量化设计、6质量管理、可靠性设计、稳健设计、蒙特卡罗模拟技术相结合,构造了基于6稳健性的地铁车辆拖车轮对运输工装轻量化设计新方法。结果表明,优化后的工装强度和刚度满足设计要求,重量减少了112.3kg,减重率达49.3%,轻量化效果显著;且与传统的确定性轻量化设计相比,该方法不仅增强了工装的强度和刚度,而且提高了优化设计的可靠性、强度与刚度的稳健性以及重量的一致性,验证了该方法的有效性。

为了降低重量,减少成本,提高市场竞争力,基于响应面法对某型具有弯曲导轨的连续式升降机进料滚筒线支架进行了轻量化设计。采用中心复合试验设计方法进行样本点的采集,利用有限元数值模拟技术获取样本点的响应值。根据所得数据,构建了支架质量和最大等效应力的二阶多项式响应面模型,并进行了精度检验,验证了所构建响应面模型的精确性。以支架质量为目标,强度为约束,基于所构建的响应面模型,建立了支架轻量化设计数学模型,采用序列二次规划算法进行求解,并对优化结果进行了仿真验证。结果表明,优化后的支架强度满足要求,质量减少了11.7kg,减重率达42.5%,轻量化效果显著。

近年来,随着新能源汽车的推广,LNG汽车得到广泛应用,车载LNG气瓶框架结构的轻量化和安全稳定是LNG汽车成功推广的重要组成部分。针对重型卡车的气瓶框架结构,运用有限元分析软件ANSYS的拓扑优化模块,基于变密度法对模型在停靠、颠簸和制动三种工况进行了强度分析和结构拓扑优化,结合各工况的优化结果对车载框架结构进行了轻量化改进,结构整体质量下降了14.1%,并校核新结构的强度符合设计要求,证明了结构优化的合理性,为相关框架类结构的轻量化提供参考。

对重载汽车传动轴的凸缘叉、花键轴叉及万向节叉等零部件进行了结构优化设计。首先在Creo软件中建立零部件的三维模型，使用ANSYS Workbench软件对其进行结构静力学分析，得到危险截面与实际应用中发生断裂的部位一致，且模型质量与实物称重吻合，完成三维模型的校正。然后采用变密度法对模型进行结构拓扑优化分析，根据分析结果，对其结构形状进行消减和尺寸优化，并对优化后的零部件进行了校核。结果表明，应用拓扑优化设计方法，可以有效降低零部件的质量，实现汽车传动轴轻量化设计目标。

轻量化设计和3D打印是近年来快速发展的热门技术,为了研究摩托车连接件轻量化的问题,利用Altair Inspire轻量化设计软件,分别选择“最大刚度”、“增加至最大频率”、“最小质量”为设计目标对摩托车连接件进行轻量化设计,结果表明以最大刚度为设计目标可以获得较好的摩托车轻量化连接件,其质量相对于优化前减少181.34 g,有效减重70.15%,材料减重明显;最小安全系数提升0.2,优于优化前的最小安全系数;最大形变位移增加0.3495 mm,达到0.4983 mm,满足在实际情况下的总体设计要求,即最大变形位移小于1.2 mm,达到了摩托车连接件轻量化设计的目的。再通过3D打印技术制造出轻量化后的摩托车连接件。

针织圆纬机的大鼎是织机的重要零件,是形成圆纬机构架、支承大鼎齿轮传动、保持机器工作刚度和避免振动的关键件。通常大鼎由HT250铸成,为减少铸造缺陷和保证机加质量,铸件尺寸较大,整体沉重,耗用更多的材料,增加其他件载荷,浪费能源。为解决此问题,文中运用最优化理论的惩罚函数法,以保证功能为约束条件、以相关几何特征为决策变量、以质量最小为评价目标,进行优化分析与设计,实现轻量化。实验研究表明,以某一型号的圆纬机(质量为465.1 kg)大鼎为例,减重96.21 kg,轻量化20.69%,同时保证机器的优质功能。