結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法研究及其在螺旋錐齒輪機(jī)床中的應(yīng)用.pdf

1、螺旋錐齒輪是機(jī)械動(dòng)力設(shè)備的關(guān)鍵零件。用于加工螺旋錐齒輪的裝備的設(shè)計(jì)和制造，在工業(yè)發(fā)展中具有重要的地位。在數(shù)控螺旋錐齒輪機(jī)床設(shè)計(jì)和制造中，機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)布局始終是高性能機(jī)床創(chuàng)新的關(guān)鍵。目前，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法是提高結(jié)構(gòu)性能的重要手段。為了解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化低的計(jì)算效率等問(wèn)題，本文研究了拓?fù)鋬?yōu)化方法，并將其應(yīng)用到數(shù)控螺旋錐齒輪機(jī)床的優(yōu)化中，進(jìn)一步改進(jìn)了機(jī)床的性能。
　　針對(duì)機(jī)床剛度的要求，提出了柔順度最小化和給定位移約束的條件下的結(jié)構(gòu)

2、拓?fù)鋬?yōu)化方法，解決了機(jī)床大件的靜剛度優(yōu)化;然后，研究了動(dòng)剛度的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，有效的解決了指定動(dòng)響應(yīng)約束的優(yōu)化;最后，基于節(jié)點(diǎn)密度法，研究了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性提供了有效手段。針對(duì)上面提到的研究問(wèn)題，完成了如下研究工作:
　　(1)為了提高現(xiàn)有拓?fù)鋬?yōu)化方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力，研究了靜剛度相關(guān)的拓?fù)鋬?yōu)化方法。針對(duì)剛度最大化的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合設(shè)計(jì)空間調(diào)整策略，體積相關(guān)的靈敏度過(guò)濾算法，以及變約束限的體積控制方式

3、，提出了一種新的考慮柔順度要求的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，并采用準(zhǔn)則優(yōu)化法求解了優(yōu)化模型，提高了方法的計(jì)算效率;針對(duì)類似板梁組合，同時(shí)考慮拓?fù)浜统叽绲膬?yōu)化問(wèn)題，運(yùn)用材料屬性的有理近似模型，結(jié)合歸一化處理方法，以及對(duì)偶優(yōu)化原理和二次規(guī)劃法，提出了一種考慮位移約束的組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
　　(2)為了控制隨機(jī)激勵(lì)力作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，提出了考慮動(dòng)響應(yīng)約束的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。采用材料屬性有理近似模型建立了單元偽密度與單元材料屬性之間的關(guān)系，同時(shí)，引

4、入一種刪除低密度單元策略，共同作用消除了動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的局部模態(tài)現(xiàn)象。采用變動(dòng)響應(yīng)約束限的方式，使得動(dòng)響應(yīng)約束的顯式表達(dá)式近似有效;通過(guò)單元增刪策略實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)空間的自動(dòng)調(diào)整。最后，基于對(duì)偶優(yōu)化和二次規(guī)劃法求解優(yōu)化模型。
　　(3)針對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)多工況和多約束的狀態(tài)，提出了節(jié)點(diǎn)密度的拓?fù)鋬?yōu)化方法。以此為基礎(chǔ)，研究了以位移或屈曲特征值為約束的拓?fù)鋬?yōu)化方法。在優(yōu)化方法中，以有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)密度作為設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)域內(nèi)任意點(diǎn)的密度通過(guò)S

5、hepard插值方法和Heaviside函數(shù)插值得到。沒(méi)有采用其它的處理方式，比如過(guò)濾技術(shù)，得到了網(wǎng)格獨(dú)立的、無(wú)棋盤格模式的、清晰的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；诠蚕韮?nèi)存的并行計(jì)算技術(shù)，采用OpenMP編程方法編寫(xiě)了優(yōu)化程序，極大的提高了本方法的計(jì)算效率。
　　(4)基于Abaqus平臺(tái)，采用Fortran語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了拓?fù)鋬?yōu)化軟件，并通過(guò)簡(jiǎn)單算例完成了提出的優(yōu)化方法考核。而后，基于經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證正確的數(shù)控螺旋錐齒輪機(jī)床有限元模型，對(duì)機(jī)床床身、立柱