拓扑优化技术（共7篇）
拓扑优化技术 篇1
0 前言
作为结构优化设计的一门新技术, 拓扑优化技术在汽车、机床、电子机械等领域中已经得到了广泛地应用。传统的结构优化设计具有一定的盲目性, 完全依赖于工程师的经验, 并且需要做大量的实验, 周期较长且成本较高。现阶段, 通过在结构优化设计的初始阶段引入拓扑优化技术, 大大提高了结构设计的合理性, 改变了传统的仅凭经验来设计的理念。
拓扑优化技术是指在指定的设计空间内, 重新规划材料分布, 使得部件的某种性能满足设计者的要求。拓扑优化技术主要探讨结构材料的分布形式和构件的联结方式, 运用去除材料、增加孔洞数量等拓扑优化形式, 旨在使结构在满足应力、位移等约束条件下, 其强度或固有特性等指标达到最优。
1 拓扑优化技术概述
结构拓扑优化设计的主要思想是将结构优化问题转化为材料优化问题, 并在给定的设计区域内进行优化计算。拓扑优化设计的思路首先需给定材料类型和设计方法, 在此基础上得到既满足约束条件又能使目标函数最优的结构布置形式。由于拓扑优化设计初始约束条件较少, 工程师仅需给定设计域而不必清楚具体的结构拓扑形式。
拓扑优化设计是在指定的设计区域内, 通过迭代过程计算求解材料最优分布的一种优化手段。以某种材料为例进行说明, 首先需定义材料分布形式, 再以灵敏度计算、结构分析、修改材料分布等方式进行迭代计算。经过多轮迭代优化后, 材料分布逐渐趋于稳定, 优化过程结束。对于连续体优化问题, 通过计算通常可得到最优的材料分布形式, 使设计结构达到最优。
在进行优化设计之前需明确设计区域、目标约束及分析类型模型等因素, 用户可直接监视优化过程, 在优化结束后需对结果进行后处理。因拓扑优化后尽管结构最优, 但局部区域仍不太完善, 常需进行局部优化, 如形状优化等。局部完善后需根据结果对结构进行三维建模从而完成结构的拓扑优化设计。由于需要修改参数等原因, 常需对某一步或整个过程进行反复迭代。
2 拓扑优化设计的研究方法
目前拓扑优化方法主要有以下三种, 分别为变密度法、均匀化方法以及渐进结构优化方法[2]。
(1) 变密度法就是将材料密度与特性之间建立某种联系, 假设材料的密度是可变的, 其屈服极限、抗拉强度等物理参数与密度之间的联系也是人为假定的。在进行拓扑优化时, 以材料密度为设计变量, 这样结构的拓扑优化问题即转换为材料的最优分布问题。
(2) 均匀化方法是建立在均匀化理论基础之上的, 通过在拓扑结构材料中引入带有孔洞的单胞结构, 并将设计区域离散成多个微结构单胞集合体, 经计算可实现对连续体的拓扑优化。通过均匀化方法计算, 可确定结构材料密度呈0 ~ 1 分布, 最终得出最优的拓扑结构。目前广泛应用于三维连续体、振动、热弹性、屈曲及复合材料的拓扑优化分析。
(3) 渐进结构优化方法 (Evolutionary Structure Optimization, ESO) 的基本原理是将结构中多余或低效的材料逐渐去除, 从而使剩余的结构趋于合理。该方法物理概念简单、明确、通用性好, 易于被工程技术人员接受和理解, 因此应用范围较广。ESO方法自提出以来, 广泛应用于各类结构的尺寸、形状和拓扑优化, 如应力、刚度、位移、振动频率、响应等稳定性约束的连续体结构拓扑优化设计问题。
3 拓扑优化技术的应用
随着计算机技术和数学优化算法的发展, 拓扑优化技术取得了重大的成就, 目前广泛应用于汽车工业、航空航天、机械制造、机车和复合材料等设计领域。拓扑优化技术在汽车工业上的运用, 国外起步较早且应用较广泛, 国内则相对较晚。汽车拓扑优化技术对象主要为车身本体构件、底盘和动力总成支架等;优化目标一般包括质量最小、能量吸收最优、柔顺度最好等;约束通常涵盖固有频率、应力和最大位移等[3]。
在对某车身整体结构进行拓扑优化时, 以质量最小化为目标, 首先获取整车的初始设计空间, 以车身在实际工作过程中所承受的载荷为约束, 并根据各种约束的重要程度分配不同的权重因子, 在此基础上对该车身结构进行拓扑优化。优化结果表明:车身结构在质量、设计成本、乘员舱空间及能耗指标均得到了很大程度的优化。
汽车底盘系统的许多零部件均是实心结构, 如控制臂、转向节、副车架等。因经验设计往往存在多余, 从而造成整个结构重量加大。因此, 在对该类零部件进行设计优化时, 常以质量最小为优化目标。控制臂以质量最小化作为目标, 以结构的最大应力作为约束, 通过对该结构进行优化减重效果明显, 比例达到14%, 结构应力控制在材料的屈服极限内。同样, 在对转向节进行拓扑优化时, 其目标设置为质量最小, 约束为结构的应力和连接点位移。经过优化, 转向节强度大幅度提高。但在局部位置出现高应力集中现象, 可通过后续设计, 降低这些部位的应力水平, 增强连接点的刚度。
对于支架结构, 频率和刚度是其关键指标。对某支架进行拓扑优化时, 目标通常为质量最小, 并将支架的一阶频率和载荷施加点位移控制在一定范围内。经过优化, 质量减少了42%, 应力也控制在材料屈服极限内。
4 结论
随着环境问题和能源问题的日益凸显, 如何快速地研发出产品, 对各汽车制造商都尤为重要。拓扑优化技术可在前期设计阶段大幅度缩短项目的开发周期, 并在满足性能目标的前提下使得结构设计最优。通过该技术, 可以为工程师在设计企划阶段提供大量的优化方案, 对后期整车轻量化具有重要的意义。
参考文献
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[3]王淑芬, 胡文文, 李玉光等.汽车座椅骨架的拓扑优化研究[J].机电工程, 2014, 31 (09) :1149-1153.
拓扑优化技术 篇2
随着经济的发展, 对汽车的要求已经不再满足于省油和跑得快, 而更注重于其舒适性和安全性。随着外部噪声法规的愈加严格, 噪声、振动和舒适性 (NVH) 问题越来越重要。一般而言, 动力总成是整车中最主要的振动噪声源, 是影响车辆NVH性能的最重要因素[1]。
传统产品设计流程中概念设计阶段设计自由度最大而知识最少, 详细设计阶段具有丰富的产品知识但设计自由度很小, 优化驱动的产品设计过程极大地改善了这一局面, 为创新性设计提供了保证[2,3]。本文以某混合动力客车动力总成为研究对象, 研究了利用拓扑优化技术提高动力总成一阶弯曲模态频率的可能性。
1 混合动力车动力总成的试验模态分析
将试件用弹簧悬吊起来, 使之处于“自由-自由”状态。选择28个拾振点、1个激振点, 实物及几何模型见图1。测量x、y、z 3个方向, 其中x为动力总成的纵向方向, y为水平方向, z为垂直方向。激振点安放在变速箱右后处, 激励方向与xoy、xoz、yoz 3个平面均成45°;测量频率范围0～200 Hz。测试系统采用比利时LMS公司的LMS Test.Lab模态分析系统。试验结果如图2所示。
由于动力总成的发动机为4缸, 其标定转速为2 500 r/min, 其二阶激励频率最高为83.33 Hz。为了保证动力总成在正常工作转速范围和负荷下不发生弯曲共振, 其最低的弹性体模态频率应高于110 Hz。图2显示该动力总成的纵向一阶弯曲模态频率为74.86 Hz, 横向一阶弯曲模态频率为79.37 Hz, 远低于设计要求, 因此现有动力总成一阶弯曲固有频率偏低。
2 动力总成有限元模型建立
根据动力总成的CAD模型, 建立包括机体、离合器壳、合成箱和变速箱壳体在内的总成有限元模型。这些零部件采用实体模型, 材料均为HT250。其他采用杆单元模拟主要的连接轴, 质量单元模拟集中质量, 四面体单元划分主要实体, 合成箱部分采用四面体二次单元, 耦合螺栓连接点等, 并保证所建模型的各零部件质量及转动惯量与测试结果吻合。建立的有限元模型如图3所示。模型共有单元1 252 923个, 节点329 944个。HT250材料弹性模量取值109 GPa, 泊松比0.157, 密度7.3 g/cm3。
模态分析结果见表1和图4。第一阶模态振型为纵向一阶弯曲, 与试验结果吻合很好;第二阶模态振型为横向一阶弯曲, 与试验相同, 但频率上的误差较大, 其原因是由于动力总成组成的零部件较多, 个别零件CAD模型的局部结构差异以及材料物性参数的差异所导致。但由于振型与试验结果吻合, 对后续的比较分析没有影响。
3 动力总成拓扑优化设计
由模态分析可知, 第一、二阶弯曲模态的节点位于合成箱部位, 所以在此处提高刚度最佳。为此, 建立了如图5所示的合成箱优化模型, 其中深色区域为优化设计区域。
拓扑优化是一种数学方法, 能在给定的空间结构中生成优化的形状和材料分布。通过将区域离散成有限元网格, 并用均匀化法和密度法为每个单元定义材料的流动规律, 在给定的约束条件下, 利用优化算法更改材料的分布, 以达到优化设计的目的。本文采用的是密度法[2]。
利用HyperWorks 的OptiStruct优化模块, 采用变密度结构拓扑优化技术进行分析。优化参数设置如下[4]:设计变量为优化区域;响应是前两阶固有频率及体积比;目标函数是体积比最小;约束条件为前两阶模态固有频率。优化后结果如图6、图7和表2所示。
由图6可见, 在原结构轴承外圈再增加一圈支撑壳体, 中间采用加强筋相连, 可以有效地提高刚度。由图7可见, 在底部支撑部位增加加强筋。这样, 优化后的结果达到了116.29 Hz, 满足了动力总成弯曲刚度的设计要求, 也为将来的结构修改指明了方向。
4 新结构及模态测试结果
优化后的新结构如图8所示, 其中的壳体和加强筋分别与图6中相对应。由图8可见, 新结构体现了优化的拓扑布局。模态测试结果见表3。
5 结论
(1) 通过拓扑优化后的合成箱, 一阶弯曲模态频率由原结构的74.86 Hz提高到116.29 Hz, 达到了设计预期, 并通过新结构的模态测试得到了验证。
(2) 本文结合有限元法与拓扑优化技术, 在设计阶段即可进行振动性能的预测, 并提出最优的方案设计, 体现了优化驱动设计的现代产品设计流程。该设计流程为其他系统和零部件的优化设计提供了参考。
参考文献
[1]庞剑, 谌刚, 何华.汽车噪声与振动———理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2006.
[2]张胜兰, 郑东黎, 郝琪.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.
[3]谢涛, 刘静, 刘军考.结构拓扑优化综述[J].机械工程师, 2006 (8) :27-30.
汽车座椅骨架拓扑优化研究 篇3
关键词：汽车座椅骨架,拓扑优化,二次设计
汽车的主要承载结构是车身骨架, 大约是汽车整个整备质量三分之一。汽车的框架和结构的重量直接影响车辆性能和使用寿命, 如动力性, 燃油经济性等。随着科技的进步及汽车技术的发展, 人们的首选一般为低排放污染, 安全性好, 用途广泛的汽车。为了达到这一目的, 必须基于刚度和强度满足在车身的要求, 尽量减少车辆的质量。
1 建立汽车车身骨架有限元模型
1) 车身骨架结构。本文研究了某款中档汽车, 从整体看, 发动机后置的布局, 是半承载式车身结构。整个身体半层结构, 即乘客舱的上半身, 下半身是提供的一个行李舱, 汽车气动单风扇乘客门。车身地板是高地板结构、地板中央的乘客步行区域以及整个车身骨架结构。座位安排形式31+1+1, 两边的后方车辆靠窗的座位是布局的一部分, 排座位的布局可以坐五个人, 左, 右两侧排列双座位, 留下了一个共有6行, 右边7行, 共有31个席位, 加上司机和导游的位置, 共33个席位。为了获得更精确的应力分布情况, 使用壳单元模拟车身骨架。在模拟网格划分之前前, 先简化结构如下:a.不需要一些非轴承组件, 如前、后保险杠, 踏板框架, 车窗玻璃的架子等。b.汽车表面皮肤轴承远小于轴承的骨架, 不考虑在计算模型中。c.将两个临近的交叉又不合点简化为一个节点处理。2) 网格划分。为了方便管理, 汽车框架模型在网格划分时可分为前、后、左、右侧, 车顶和底盘支架六部分, 然后集成装配在一起。a.提高梁和梁不同的关节面交点之间的几何拓扑关系, 为了保证网格之间的相互的连续性, 确保共享邻近关节的几何模型的边线;一些框架焊接接头表面的边缘没有对齐, 为了划分网格确保网格高质量, 需要将这些零件分割, 提高几何拓扑关系;除去其中的尖角的部分, 从而保证了网格质量。b.在处理网格类型和尺寸方面, 由于车身大部分采用40毫米×40毫米的Q235矩形钢管骨架, 采用整体网格单元尺寸和计算, 考虑到环境因素, 设置20毫米的尺寸, 保证足够的精度。在某些复杂的局部几何关系中, 采用单位合并, 分离等措施, 调整单元网格节点的位置和数量的调整, 保证了网格的质量。3) 原车身骨架静力和模态分析。a.模态分析。自由模态分析下的原始车身骨架, 对前七模式计算其模态值。从而获得模态频率和振动模式值。从车辆振动的角度考虑, 为了避免发生车辆身体低阶共振, 主要模式应控制在3~25hz。同时, 为了防止第一弯曲模式耦合效应的扭转模式, 这种模态的频率一般至少两中模态交错在3赫兹以上。计算结果可见, 前面步骤的车架固有频率在指定的频率范围, 有更好的发动机和道路激励下振动特征。b.静力分析。对原车车架的有限元静态分析, 在施加载荷和约束正确的情况下, 从而进行静力计算。骨架位移最大值为6.717mm, 出现在空调安装位置。应力最大值187 mpa, 出现在底部框架约束的位置, 以满足Q235力量的需求。除此此外, 后座下面框架底部应力集中是显而易见的。
2 侧围和顶棚的拓扑优化
2.1 侧围拓扑优化
1) 优化模型建立。侧围除了门, 窗, 前、后车轮, 行李箱的空间也作为一个设计空间。焊接座椅时加了横梁杆, 所以保持原来的结构。
2) 优化问题描述。目的:最小应变能 (最大刚度) 域的设计约束:体积比0.1的下限, 上限为0.2设计变量:单元密度
3) 结果分析。优化计算后, 优化结果的迭代步骤是29步, 左右侧围对称。通过调整优化参数, 设计领域的细胞密度大于0.35个单位保留材料, 获得了明显的优化结果。优化后的材料分布更加均匀, 整体结构更加合理。
2.2 顶棚优化
1) 优化模型建立。车顶拓扑空间的建设, 无论是紧急出口或是空调安装位置杆的分布, 在两个设计时根据结构优化处理之后再设计。车顶所有空间被定义为设计领域。
2) 优化问题描述。目标:二阶频率最大域的设计约束:体积比0.2的下限, 上限0.4设计变量:单元密度
3) 结果分析。经过优化后, 迭代步骤43是得到的结果。通过调整优化参数, 设计领域的细胞密度大于0.35个单位保留材料, 获得了明显的优化结果。优化后, 出现纵向梁数量少, 而横向梁分布不均匀的情况。
3 二次设计
3.1 二次设计模型建立
使用OSSmooth工具将优化结果转化为文件, 然后根据优化结果通过使用CAD软件建立了三维模型, 考虑其实际的可制造性, 使用40毫米×40毫米模拟矩形管材料分布区域。参照优化结果, 二次设计后侧围和顶棚结构。[4]
3.2 新骨架静力和模态分析
1) 模态分析。架体设计两次自由模态, 经过七阶模态值的计算。从而获得模态的振动频率和振动模式。由计算结果可以看出, 在所要求的频率范围内的前阶固有频率汽车骨架, 发动机和路面激励作用下具有良好的振动特性。2) 静力分析。有限元静力分析的两个设计汽车骨架模型, 在施加载荷和约束正确情况下的静力计算, 骨架位移最大值是9.36毫米, 是在空调安装位置。应力最大值185mpa, 出现在底部框架约束的位置, 以满足Q235力量的需求。除此此外, 后座下面框架底部应力集中是显而易见的。
3.3 优化前后性能对比
1) 观察优化前和优化后, 车身骨架的低阶频率的固有频率几乎是相同的。因此, 对于车辆的动态性能, 优化后的结构变化很小, 基本保持原车动力性能。2) 优化前后静力分析的结果进行比较, 车身骨架静力的结果是一致的。因此, 优化汽车性能变化的静态刚度和强度的结构非常小, 基本保持原车的静态力学性能。
3.4 优化前后质量对比
经过对比分析, 优化车身骨架基本上保持原来的车身骨架和静态和动态性能。同时, 横向质量减少15.5公斤, 是原侧质量的6%;车顶质量减少29.4公斤, 是原有的20.5%, 在原料的质量上限中整个车身骨架质量减少44.9公斤, 占4.7%的骨架总成的质量。因此, 优化的结果是可行的, 从一定程度上来说提高了材料的利用率, 也减少了成本。
参考文献
[1]赵永辉.大汽车车身骨架结构拓扑优化设计[D].武汉理工大学, 2008.
[2]周伟.汽车车身结构轻量化设计[D].吉林大学, 2011.
[3]吕品.汽车车架拓扑优化设计[D].沈阳理工大学, 2008.
日光温室结构拓扑优化设计 篇4
随着日光温室广泛应用于设施农业中,对温室结构优化的研究越来越多。目前,我国日光温室结构优化设计的研究主要包括:根据日光温室采光设计的理论,确定最优采光屋面角和采光面形状;研究蓄热保温构造,设计实现提高温室保温性能;研究保证温室安全性的承重结构设计,以降低温室成本。
结构设计是工程设计的重要组成部分,一个优秀的结构设计方案应该保证结构满足安全性、可靠性、适用性和持久性[1],同时还应考虑结构的经济性。结构设计一般分为结构强度设计、结构刚度设计、结构稳定性设计、结构可靠性设计和结构优化设计。结构拓扑优化又称为结构布局优化,是一种根据约束、载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法。通常把结构优化按照设计变量的类型划分成3个层次,即结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
本研究以新疆焉耆地区日光温室为研究对象,根据拓扑优化原理,采用满应力法,进行有限元分析得到各单元在节点处的最大应力(Voa Misses),并围绕对每一单元进行应力分析,通过增加下部杆件、迭代不断改变各单元所受力,使杆件所受的应力趋近最大的允许值,达到满应力的设计目的。
1 日光温室上弦受力分析
1.1 日光温室上弦有限元模型的建立
日光温室尺寸的取值应满足在一年中最冷的一天当地时间11:00(正午前1h)太阳直射光能直射在后墙底处。上弦曲线采用周长吉[3]提出的以抛物线和圆组合的屋面曲线为合理受力曲,得到日光温室上弦模型图,如图1所示。
在有限元分析中,上弦单元类型为Beam3。Beam3单元是一种可承受拉压弯作用的单轴单元,每个单元有2个节点,每个节点有3个自由度。上弦使用Q235的钢管ϕ30×2,定义弹性模量为2.1E-11Pa,泊松比为0.3。定义前,屋面前脚处O节点和后屋面E节点有XY方向的约束,得到日光温室有限元模型如图2所示。其中,主要关键节点位置如表1所示。
1.2 日光温室上弦所承受荷载的确定
日光温室所承受的荷载包括恒载和活载。本文参照《建筑结构荷载规范》[4],根据日光温室使用过程在结构上可能同时出现的荷载,以雪后人上屋顶操作工况来确定荷载组合,得到日光温室上弦的受力情况,如图3所示。表1中,列出了部分节点所受荷载情况。
节点所受荷载可由温室所受的均布荷载转化而得。
1.3 日光温室上弦受力分析
应用ANSYS10.0对温室上弦进行静态受力分析,得到弯矩图如图4所示。
在上弦前屋面前脚处,所受的弯矩最大,最大值为4 329N·m;在上弦脊顶处和上弦中部,所受弯矩较大。由弯矩图可以把上弦分成5段进行受力分析:第1段由节点1～15组成;第2段由节点15～37组成;第3段由节点37～46组成;第4段由节点46～51组成;第5段由节点51～59组成。
2 温室结构的拓扑优化设计
2.1 结构的满应力优化设计
满应力设计是优化准则法中的一种主要方法,是直接从结构力学的原理出发,以满应力为其准则,使得杆件的材料能够得到充分利用的一种方法[5,6,7]。本文的设计思想是对一个未知的结构布局,通过构件的组合,使布局未定的结构在多种载荷作用下,结构的每一构件至少在一种载荷情况下的应力达到容许应力,此时就认为结构最合理。
2.2 结构优化基本原理
温室上弦采用梁结构,在进行强度校核时,只考虑弯矩引起的弯矩应力和轴力引起的正应力。由此可以通过弯矩图把上弦分为5段进行受力分析,选择合适的方式使其承受的弯矩减少,使结构承受的最大应力趋近许用应力,从而满足结构的强度要求,也达到了节省材料的目的。以前屋面曲线第1段为实例进行结构优化设计,如图5所示。
利用结构力学的知识,可求得
F′x=Fx+N1cos(b-a) (1)
F′y=Fy+N1sin(b-a) (2)
undefined (3)
N(x)=qxsinb-F′ysinb-F′xcosb (4)
在x处截面处的最大应力值为
undefined (5)
式中 γ—截面塑性发展系数,对于圆截面取γ=1.15;
Wz—截面抵抗矩。
为了用料最省,可以使材料的每一单元承受的最大应力趋近于材料的许用应力,表达式为
σmax=[σ] (6)
式中,[σ]为材料的许用应力,可通过材料的拉伸压缩试验得到,也可查《材料手册》查得每一种材料的许用应力。建造温室通常使用的材料为ϕ235的钢,其许用应力为215MPa。
2.3 拓扑优化模型的建立
由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可得
undefined
undefined (7)
在弯矩图(图4)中,节点7处所受弯矩最大。由于上弦采用的是梁结构,对结构进行受力分析时主要考虑弯矩,所以可以取节点7的位置作为满应力的位置。用力法对模型(图2)求解,得到在1点处的x,y方向的支座返利大小为:Fx=10 312N,Fy=14 595N。温室前屋面所承受的荷载由表1可以得到。
在本设计研究中,上弦材料采用Q30*2的圆管,查材料表可以得到A和WZ的大小。腹杆采用ϕ12的圆钢,以其能所承受的最大拉压力N1为设计值,对上弦进行设计,最大拉压力N1可查材料表得。代入式(7)可得,α=7.8°。
过节点7做法向量与下弦交于点X1,从而得到点X1(1.08,1.48)。
根据上述原理,依次可求得点X2,X3,X4的位置,如表2所示。计算过程在此不做赘述。
综上所述,对下弦曲线进行优化设计,得到设计模型如图6所示。
图6中,下部分杆件为Q235材料的ϕ12圆钢的桁架杆件,腹杆用Q235材料的ϕ12圆钢,上弦杆件与腹杆半铰链接在一起,下弦杆件与腹杆铰链接在一起。
2.4 利用有限元分析软件对优化结构进行分析
把优化设计模型导入ANSYS10.0中,定义上弦单元为Beam3,定义下部分杆件单元为Link1。求解后,得到上弦结构所受最大应力分布图如图7所示,结构所受轴力分布图如图8所示,结构所受弯矩图如图9所示。
由最大应力图可知:优化后的结构最大应力值基本接近于2×108N/m2,最大值为1.99×108N/m2,最小值为1.27×107 N/m2。由轴力等值线图可以看出:最大轴力23 953N,为压力;最小轴力982N,为压力。由弯矩等值线图可知,最大弯矩为1 207N·m,最小弯矩为107N·m。
3 结语
1)本研究是基于拓扑优化原理,应用满应力法确定日光温室拱架合理的骨架结构,优化结果使温室骨架各构件受力均趋近于满应力状态;而以往日光温室结构优化方法得到的平行弦桁架骨架(如图10所示),其经验性的成分较多。所以,本方法具有明显的科学性和合理性。
2)应用满应力法设计的日光温室结构模型简单、明了。除日光温室拱架上弦据采光设计取曲梁外,其他构件都是链杆,而且数量大为减少,使得结构计算简单。
3)优化后得到的日光温室骨架结构所受的应力分布均匀,由最大应力图(图7)和轴向应力图(图8)可知,大部分单元杆件所受的应力值都趋近于1×108～2×108Pa,使所有构件承受的应力接近于材料许用应力,达到节省材料的目的。 优化后的温室骨架与跨度、高度相同的传统日光温室骨架相比,用钢量能节省2.9%。
4)拓扑优化后得到的骨架模型应用于施工建造中,较现有日光温室骨架减少了焊接点,既降低了工程量,又避免因焊点过多而造成的质量隐患。
参考文献
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[6]J.M.Guedes,J.E.Taylor.On the prediction of materialproperties and topology for optimal continuum structures[J].Springer-Verlag,1997(2):193-199.
刨体拓扑及形状优化设计 篇5
关键词：刨煤机,刨体,拓扑
0 引言
刨体是刨煤机工作机构———刨头的基本组成部分, 承担最基本的刨煤及支撑作用, 其底部连接着刨煤机牵引组件, 牵引刨煤机整机运行, 上部可安装用于调整刨头高度的调高块, 积木式调节刨头刨削高度。由于刨体的工作环境恶劣, 工况复杂, 受力情况多样且具有不确定性, 且煤矿生产具有特殊性, 井下设备多采用大的安全系数, 呈现“傻、大、粗”的特点, 必然伴随着成本的增加, 造成巨大的资源浪费。本文以合理减重为目的, 在保证足够安全的前提下, 优化零部件结构, 降低材料浪费及制造成本。
1 刨体的拓扑优化分析流程
在对刨体进行拓扑优化分析之前, 首先要进行参数化建模, 对模型进行必要的精简, 并进行网格划分、材料属性及边界条件的施加等, 确定优化参数及优化目标。拓扑优化分析按图1所示流程图进行。
2 刨体的拓扑优化分析
本文对刨体模型进行形状拓扑优化计算, 目的是在确保其满足正常使用工况的基础上进行减重, 使得刨头设计结构更紧凑, 并降低制造成本。
分析使用的软件是快速分析工具AWE Designexplorer, 利用其拓扑优化功能, 得到其在承受施加外力条件下的刨体结构, 以减少的材料重量为状态变量, 并保证结构刚度最大的拓扑优化形状。
AWE定义拓扑优化问题同定义其他线弹性结构问题的做法一样。用户需要定义材料特性 (弹性模量、泊松比、材料密度等) , 选择拓扑优化合适的单元类型, 生成有限元模型, 并根据特定的拓扑优化问题需要的判断依据进行以下两种应用之一的分析:
(1) 施加载荷边界条件做单载荷或多载荷线性结构静力分析; (2) 施加外界条件, 做模态分析。
本文中所采用的分析为施加载荷边界条件做多载荷步线性结构静力分析。在进行拓扑优化分析时, 需要进行:分析模型的导入、材料信息的添加、接触选项的设定、设定网格划分参数及网格的划分、载荷施加及约束等均继承应力分析时的设置等。
在分析过程中, 选择拓扑优化分析“Shape Optimization”, 激活“Solution”, 在菜单中选择“Shape Finder”。在“Shape Finder”属性菜单中, 定义拓扑优化目标“Target Reduction”为40%, 之后进行求解, 优化效果图如图2所示。
从模型的优化结果来看, 刨体可以实现拓扑优化的功能。但是, 这个结果只能反映出设计形状的趋势, 而不能直接应用到实际工程中, 因为, 产品的最终设计必须符合一定的生产加工工艺和实际工作条件, 也就是说必须对优化后的模型进行必要的优化, 以使得产品的设计具有实用性。
模型拓扑优化是在保证原设计功能不变的原则基础上进行的, 对拓扑优化区域中涉及到的相关尺寸特征, 应该在模型修改的时候予以剔除, 为了使得到的结果更真实, 把修正后的结果导入Pro/E进行必要的修改, 如图3所示。
为保证刨煤机真实工作时的应力条件, 要综合考虑刨基体优化修改的外形尺寸。对于原设计的刨体来说, 通过拓扑优化分析, 其结构设计紧凑合理, 需要去除的材料并不多, 但仍然有去除材料作进一步优化的空间, 可以增加一些去除材料的特征, 如通孔、键槽结构, 加大圆角、倒角的设计等。
通过对原设计模型结构的更改, 刨基体重量由998kg降低为820kg, 在设计相对紧凑的情况下再降低材料使用178kg。
3 优化后模型的强度校核
将Pro/E修改完善的三维模型转到ANSYS Workbench, 对其展开自适用网格划分、设置合理的约束和材料特性参数, 依据井下实际工况对三维模型施加外力载荷, 进行计算和分析, 并与模型优化前的强度分析进行比较, 其应力分布云图、应变分布云图、位移分布云图如图4、5、6所示。
从分析的结果可以看到, 刨体经过优化后, 在施加等外力载荷的情况下, 其应力值仍然低于刨体的许用应力, 重新完善后的结构使得材料得到充分的利用, 从而表明对刨体进行优化具有可操作性。同时, 完善修改的三维模型重量有所降低, 减少了材料的使用, 降低了制造成本。
对比优化前后的分析结果, 在对刨体进行优化的整个过程中, 位移量、应变、应力、极大应力值部位无明显的差异, 表明刨基体优化后其承受外力的能力没有发生本质的变化, 而且刨体的应力分布更为合理, 所以对其进行的拓扑优化是成功的。
4 优化后的刨煤机实际使用效果
由三一重装研制的BH38/2×400型刨煤机, 已在铁煤晓明矿及内蒙古东达二矿成功使用, 优化后的刨体结构, 在使用过程中, 未出现过断裂、屈服破坏等问题, 使用效果良好。
实践证明, 对刨体进行拓扑优化分析是能够指导设计的, 不仅对设计结构具有一定的指导意义, 而且对于减少资源浪费也具有很好的指导意义。
参考文献
[1]王志亮.采煤刮板输送机铲板槽帮的拓扑优化分析[D].天津:河北工业大学, 2005.
[2]李玉霞.刮板输送机轨座的拓扑优化分析[D].天津:河北工业大学, 2005.
[3]王建, 张树齐, 屈中华.结构拓扑优化研究方法综述[J].力学进展, 2005, 35 (1) .
ICPT系统补偿拓扑结构的优化 篇6
关键词：ICPT系统,电容补偿,SPP,输出功率
无线充电系统作为一种新型技术, 其发展迅速并受到广大学者的深入研究, 技术的主要目的是提高ICPT系统的传输功率和传输效率, 通常会在松耦合变压器发射和接收线圈分别加入电容补偿拓扑结构, 电容补偿拓扑方式的不同, 系统的频率敏感性和传输效率不同, 特别是大功率感应耦合充电装置。此设计针对电流型系统提出了一种更为优化的补偿方式:SPP型电容补偿。
1 ICPT系统的补偿拓扑
1.1 SP型电容补偿方式
无线传输系统一般在发射和接受端的电感上串联或者并联电容, 用以补偿电感线圈的无功损耗, 使其工作在谐振状态。本实验主要讨论SP型拓扑结构的优化, 图1是SP型电容补偿。
一般ICPT系统的谐振频率ω较高, 在计算过程中RS远远小于感抗ωLs, 所以RS在电路分析过程中可以忽略不计。为了实现系统的最大功率传输, 副边谐振补偿电容CS的选取需满足:CS=1/ω2LS;系统接收端电路的总电阻为ZS, 发射端电路的总电阻为ZP, 接收端等效到发射端的引入阻抗为Zr, 系统的总阻抗为ZT, 在计算完各个阻抗总值以后可以得到LS输入功率是P1, 负载RL上消耗的功率是P2, 传输效率为η[3,4]。则各个阻抗的计算如下所示:
1.2 SPP型补偿方式
SPP型电容补偿是在SP型电容补偿拓扑的基础上优化的, 其电路结构只是比SP型电容补偿结构多了一个并联电容, 电路图如图2所示。
图2中SPP型电容补偿拓扑系统工作在谐振频率下时, 为了得到Cp2的值, 令CP=1/ω2Lp为基准电容值, Cp2=βCp1, 其中β是相关比例系数, 当β=0时, 相当于SP型结构, 其变压器两端的电压、电流特性以及次级的输出电压与SP型也一样。因此一个合适的β值是SPP型电容补偿优化的重点。
对于SPP型的电容补偿拓扑方式, 接收端的等效阻抗没有改变, 而发射端的阻抗由于并联上了CP2而减小了, 由系统的传输效率公式
可知, 公式中的分子不变, 分母减小了, 因此系统的传输效率η就会增大, 由此验证了SPP型电容补偿拓扑方式的优越性。
2 两种补偿方式的仿真比较
利用MATLAB进行了实验仿真, 仿真输出了系统的输出电压。
由图3所示的系统输出电压图可知, 两种补偿方式下系统的输出电压波形和幅值一样, 并没有影响到输出电压的稳定性, 电压曲线一开始是迅速上升的, 待稳定后幅值可达到手机充电所需的+5V电压, 信号上有一些振荡衰减信号为松耦合变压器电磁辐射对系统造成。
由以上的仿真输出, 经过计算分析可以得到β=0.00294时, SPP型电容补偿拓扑方式的ICPT系统的发射端与接收端的电压幅值以及两种系统的输出电压幅值都对应相等。
3 结论
以上证实了SPP型的电容补偿拓扑方式在不影响输出电压稳定的前提下可提高系统的传输功率, 也可改善变压器两端的电压特性。
参考文献
[1]黄学良, 谭林林, 陈中等.无线电能传输技术与应用综述[J].电工技术学报, 2013, 28 (10) :1-11.
[2]何芹, 张佳斌, 戴丽洁, 等.手机无线充电系统的设计与实现[J].电子与封装, 2013, 13 (8) :44-47.
[3]武瑛, 严陆光, 徐善纲.新型无接触电能传输系统的稳定性分析[J].中国电机工程学报, 2005, 24 (5) :63-66.
局域网拓扑结构优化的探讨 篇7
关键词：局域网,优化设计,总线型,NLB
1 拓扑结构
最基本的网络拓扑结构有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑、树型拓扑结构和网状拓扑结构5个。
(1)总线拓扑结构:是将网络中的所有设备通过相应的硬件端口直接连接到公共总线上,结点之间按广播方式通信,一个结点发出的信息,总线上的其他结点均可“收听”到。总线型布局结构简单、布线容易、可靠性较高,易于扩充,是局域网常采用的拓扑结构。
(2)星型拓扑结构:每个结点都由一条单独的通信线路与中心结点连结。它的中心结点是全网络的可靠瓶颈,中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。
(3)环形拓扑结构:各结点通过通信线路组成闭合回路,环中数据只能单向传输。环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈,任意结点出现故障都会造成网络瘫痪,另外故障诊断也较困难。
(4)树型拓扑结构:是一种层次结构,结点按层次连结,信息交换主要在上下结点之间进行,相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。树型结构连结简单,维护方便,适用于汇集信息的应用要求。
(5)网状拓扑结构:又称作无规则结构,结点之间的连结是任意的,没有规律。网状结构系统可靠性高,比较容易扩展,但是结构复杂,每一结点都与多点进行连结,因此必须采用路由算法和流量控制方法。目前广域网基本上采用网状拓扑结构。
2 优化设计
2.1 需求分析
以某金融企业大楼局域网设计为例,就局域网设计的应用和需求分析做简要说明如下:该金融企业拥有一栋5000平方米的办公楼,楼内有办公室80间,各种会议室5个。需要建立一个满足企业自身需求,同时充分考虑与外网访问的Web应用,该局域网具体的应用和需求如下:为总经理决策提供服务;ERP系统应用;自动化办公信息系统;信息发布系统和远程信息接发管理。其中,ERP系统是该企业局域网建设的主要组成部分。而在管理信息系统中要突出电子邮件、远程通信、视频会议、政策等信息知识库、安全保密等。通过办公自动化,使得业务流程更平滑,工作效率更高。理解了局域网的具体需求,就可以根据建筑布局和具体需求对局域网进行详细的设计。因为总线型网络拓扑结构具有客户端用户入网灵活、站点或某个客户端用户失效不影响其他站点或客户端用户通信的优点。在办公楼的第三层设置局域网的汇聚中心;所有的用户终端,通过超五类双绞线与计算机网络中心进行联接。一方面总线型网络拓扑结构不受客户端用户失效影响,可以减少局域网的故障;另一方面超五类的双绞线完全保证了10Mb/100Mb/s的传输速度,可充分满足企业信息化的需求。无论从局域网的性能还是局域网的布线投资上,都体现了设计的最优化。
2.2 主干网络的技术选型设计
主干网络是局域网设计中的中枢环节,具有非常重要的意义。选择局域网的主干网络,一般从以下3个方面进行研究分析:
(1)认真分析用户需求,从实际出发,经过科学分析计算,确定主干网的实际网络带宽需求,选择相应的主干技术。
(2)根据建筑布局,充分考虑数据流的传输距离、传输性能,主干技术与厂家提供产品相结合等情况,选择最佳的主干技术产品。在确定了用户需求之后,就可以对局域网的类型、分布构架、带宽和网络设备类型进行设计。首先确定适合的局域网类型和分布构架。其次确定局域网的网络分布架构,这与入网计算机的节点数量和网络分布情况直接相关。大型局域网,在设计上将它组织成核心层、分布层和接入层。接入层节点直接连接用户计算机,它通常是一个部门或一个楼层的交换机;分布层的每个节点可以连接多个接入层节点,是一个建筑物内连接多个楼层交换机或部门交换机的总交换机;核心层节点在逻辑上只有一个,它连接多个分布层交换机,是一个园区中连接多个建筑物的总交换机的核心网络设备。中小型局域网,在设计上常常分为核心层和接入层两层考虑,接入层节点直接连接核心层节点。小型局域网,在逻辑上不用考虑分层,在物理上使用一组或一台交换机连接所有的入网节点即可。最后,确定局域网的带宽。一般而言,百兆位以太网能够满足网络数据流量不是很大的中小型局域网的需要。如果入网节点计算机的数量在百台以上且传输的信息量很大,或者准备在局域网上运行实时多媒体业务,则建议设计千兆位以太网。
(3)选择网络主干设备。对于网络主干设备或核心层设备,可以选择具备第三层交换功能的高性能主干交换机。如要求主干设备具有高可靠性,还应该考虑核心交换机的冗余与热备份方案设计。分布层或接入层的网络设备,通常考虑选择普通交换机。交换机的性能和数量由入网计算机的数量和网络拓扑结构决定。
2.3 网络设备的选型设计
网络设备的选择,是局域网能否顺畅运行的关键。主要包含以下4个方面:
(1)服务器的选择。服务器是局域网中最重要的组成部分,它在很大程度上决定局域网的性能。服务器的类型和档次,应该同局域网的规模、应用目的、数据流量和可靠性要求相一致。至于内存设置方面,主要体现在访问缓冲时间上,一般应尽量设置为小一点的缓冲时间,这样速度会更快些。为了加快访问速度,就要求服务器硬盘有较高的转速,一般要达到10000RPM。通常服务器上的硬盘在正常使用期间总在不停地转动,且转速较高,会产生大量的热,因此,要求硬盘盘片散热性要好。另外,服务器要有容错功能,硬盘要求允许热插拔。这对于服务器性能的提高和稳定相当重要。
(2)局域网交换设备的设计选型。对核心的交换机,必须选择稳定高效的智能化交换设备,以保证整个局域网的稳定运行。
(3)操作系统的优化选择。选择操作系统时,应考到虑操作系统的适用性和稳定性又要考虑到操作系统的安全性。操作系统的选择与局域网的规模、所采用的应用软件、网络技术人员的管理水平、投入资金的多少等诸多因素有关。大众化的办公应用局域网,可采用Windows操作系统,以方便应用需求。对安全级别要求特别高的行业,可使用Unix操作系统。
(4)局域网应用软件的优化选择。应用软件的选择使用常常不被人重视,但它却是局域网设计的一个重要延伸。应用软件设计要注意的问题为开发语言和数据库的匹配。
2.4 安全防范设计
目前主流的安全技术有,防火墙技术,入侵检测技术,CA数据加密(CA数字证书),网络终端的软件防范技术。而应用于内网安全的主要是入侵检测技术、CA数字证书、各种防黑和防病毒软件。在局域网中,除采取以上几项常用技术外,还可采用虚拟VPN技术,以确保局域网的安全。
3 NLB在局域网优化中的应用
3.1 NLB工作过程
NLB使用一种分布算法对要求同时响应大量用户访问请求的服务器(如Web、FTP服务器等)负荷,采用将多个运行相同应用程序或服务的服务器群集到一起,并共享一个虚拟IP地址,客户机通过虚拟的IP地址访问群集中的服务器,NLB负责将用户的访问请求均衡的分配给群集中不同的服务器。当某台服务器发生故障时,NLB会在其他服务器之间重新分配工作量,从而提高了基于IP的任务关键型服务(例如Web、FTP、Proxy、VPN、Windows Media、Telnet等)的性能、可伸缩性和可用性。
3.2 NLB含义和技术特点
NLB有两方面的含义:首先,大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理,减少用户等待响应的时间;其次,单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理,每个节点设备处理结束后,将结果汇总,返回给用户,系统处理能力得到大幅度提高。
NLB具备以下技术特点:
(1)在高并发数据的负荷下,提供低成本的优化方式。
(2)保护现有网络投资,避免单纯的硬件投资升级。
(3)负载很重的情况下也能做出快速响应。
(4)为系统提供了充分的容错机制和高可用性。
(5)提供稳定、强壮的不间断服务。
(6)在对整个系统影响最小的情况下最有效地在服务器之间分配流量。
(7)NLB对外只提供一个IP地址(或域名)。
(8)NLB技术可在普通计算机上实现。
(9)优化服务器性能,具备高可伸缩性。
3.3 NLB流量控制的实际应用
控制网络流量是维护、优化局域网的一个非常重要环节,老技术方案主要有两个:一个是子网划分的方法,一个是采用VLAN技术的方法。VLAN技术能有效遏制机构范围内的广播和组广播,进行跨园区的带宽和性能管理,能使因网络变更造成的管理任务大大缩减,尤其是在多网络服务器或多网络操作系统的情况下,用户需要多种用途的网络操作,这种变更就显得尤为重要。
利用NLB技术针对局域网的优化和流量控制,经多方案反复实践对比,建议采用基于Windows 2003 Server的VLAN+NLB(双网卡多播模式+多主机筛选模式)的混合技术方案:为了避免交换机的数据洪水,利用VLAN解决网内部门的划分及信号广播;利用NLB保持现有网络结构体系,控制和平衡基于IP的网络应用程序或服务的并发数据量;采用双网卡多播模式,一个网卡用于负载客户端的通信,另一个用于传输内部通信,管理内容、数据,同时因网络适配器在保留原有的MAC地址不变的同时,还分配了一个各节点共享的多播MAC地址,解决了单网卡模式各节点之间不能正常通信的问题。选取Windows 2003 Server的目的是利用NLB提供的3种筛选模式中的多主机筛选模式,可以针对端口规则采取禁止、多主机负载平衡和单主机的特殊处理,提供了真正意义上的负载平衡,并且可以根据节点的实际处理能力进行负载量的分配或阻止某节点特定应用程序的流量。
参考文献
[1]李馥鹃.局域网优化与测试[M].人民邮电出版社,2002.
[2]彭勤涛,龚奇夫.论局域网的优化[J].沙洋师范高等专科学校学报,2007,5:37-38.
[3]吴蔚.网络站点的负载均衡技术探索[J].计算机时代,2004,(7).
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