基于拓撲優(yōu)化理論的高速柔性輸送裝備結構優(yōu)化設計.pdf

1、白車身柔性焊接生產(chǎn)線是生產(chǎn)乘用車的核心裝備。近年,隨著汽車市場的快速增長,急需年產(chǎn)量20萬輛以上的高速柔性焊接生產(chǎn)線。高速柔性輸送裝備是高速焊接線中的關鍵部分,負責在短時間內完成車身和隨行夾具的輸送。由于輸送時間短,高速柔性輸送設備必須滿足質量低的要求以減輕驅動系統(tǒng)的負擔。
　　結構拓撲優(yōu)化方法是在高精度的偏微分方程數(shù)值解法和高性能計算機的基礎上發(fā)展而成的一種新興的結構優(yōu)化方法。它能夠在給定的結構應力、質量、或者固有頻率等約束條件

2、的限制下,以結構剛度、質量或者傳熱效率為目標,通過一定的計算流程得到設計空間內材料的最優(yōu)拓撲分布。經(jīng)過多年的發(fā)展,結構拓撲優(yōu)化領域涌現(xiàn)出均勻化方法、材料密度插值方法和漸進結構優(yōu)化法等行之有效的方法。這些方法廣泛應用在汽車和航空航天等領域。但是,這些方法并不是完美無缺。它們在計算是常常會遭遇棋盤格式、網(wǎng)格依賴性等數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象。
　　本文從結構拓撲優(yōu)化的力學和數(shù)學基礎出發(fā),分析研究基于密度插值模型和優(yōu)化準則法的拓撲優(yōu)化數(shù)學模型和計算

3、模型。以MATLAB程序為基礎,研究了濾波算法在阻止數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象方面的作用。以白車身高速輸送設備為對象,在結構分析的基礎上,考慮可變位置約束,對隨行夾具的結構進行了拓撲優(yōu)化設計。在提高結構性能的同時有效減少了材料使用量,取得了良好的優(yōu)化效果。對今后結構拓撲優(yōu)化方法的工程應用具有一定參考意義。
　　首先,從優(yōu)化問題最基本的形式出發(fā),結合彈性力學的基本方程和偏微分方程的等效積分求解方法,推導了有限元數(shù)值求解格式。在有限元方法的基礎上

4、,基于材料密度插值模型和準則優(yōu)化法,建立了拓撲優(yōu)化問題的數(shù)學模型和計算模型,編寫了基本的MATLAB計算程序。
　　之后,以MATLAB計算程序為基礎,分析了拓撲優(yōu)化計算中常見的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象。深入研究了濾波算法中濾波半徑這一關鍵參數(shù)對數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象的抑制作用以及對優(yōu)化計算過程和結果的影響。
　　最后,校核了高速輸送設備中的包膠輪、連接鍵和隨行夾具三個關鍵部件。針對隨行夾具末端形變過大的問題,以結構變形為約束,以結構質量最小