桁架剛度優(yōu)化設計的案例
基于samcef的一種機床整機剛度的優(yōu)化設計方法
發(fā)明公開了一種機床整機靜剛度的優(yōu)化設計方法，包括以下步驟：應用pro/E軟件建立機床整機簡化模型；將機床簡化模型導入samcef軟件中，建立整機有限元模型；對整機大件結構剛度特性進行參數(shù)化，確定設計參數(shù)和設計空間；應用中心復合試驗設計方法選取有限元分析的試驗樣本點；對試驗樣本點進行有限元分析，得到樣本點的整機靜剛度響應值；簡歷大件結構剛度特性參數(shù)與機床整機靜剛度的響應面模型；分析各大件結構剛度對機床整機靜剛度的靈敏度，確定靜剛度薄弱環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化設計。該發(fā)明通過有效地確定機床整體各結構對機床整機靜剛度的靈敏度及發(fā)現(xiàn)制約機床靜剛度提高的薄弱環(huán)節(jié)，為機床結構優(yōu)化設計提供重要的依據以及指導設計人員對機床薄弱大件結構的優(yōu)化設計。
具體步驟詳細見附件。
一種機床整機靜剛度的優(yōu)化設計方法.pdf
展開 基于HyperWorks后部高度傳感器支架剛度分析與優(yōu)化設計
圖4 四種優(yōu)化方案
3
優(yōu)化方案剛度分析
新方案支架剛度分析方法與原方案相同（相同的工況條件），分析結果如表3所示。
表3 各優(yōu)化方案剛度值
圖5 方案四各向位移云圖
由分析結果可以看出，方案四X、Y、Z、N向剛度值都大于目標值，滿足設計要求，位移云圖如圖5所示。該方案在后續(xù)的實車驗證過程中，未出現(xiàn)位移抖動現(xiàn)象。
4
結論
通過對傳感器支架有限元剛度分析，識別其抖動的原因，并針對此問題利用軟件本身自帶的功能進行優(yōu)化設計。方案四剛度明顯高于優(yōu)化前，是一種比較有效的優(yōu)化設計方案，這是HyperWorks軟件在本次結構設計分析中的成功應用。
基于HyperWorks的CAE技術在結構選型和設計過程中的應用可以尋找或較早地預測結構動態(tài)特性設計的不足，為設計師結構優(yōu)化設計提供依據并指明方向，從而可在設計之初對結構進行設計改進，減少后期設計難度，縮短產品研發(fā)周期，提高設計可靠性。
來源：CAE技術資訊 作者：杜偉娟 胡海歐 陳韜
展開 【9月7-9日 鄭州 斯姆勒】ANSYS工程結構強度、剛度分析與優(yōu)化設計基礎培訓
各企事業(yè)單位：
針對新入職員工和設計工程師的數(shù)值仿真能力的提升需求，特展開結構、傳熱、流體、電磁等系列課程的專題基礎培訓，強烈建議零基礎學員在參加其他高級課程前，學習相關專業(yè)的基礎課程。本次培訓為ANSYS workbench工程結構的強度/剛度及優(yōu)化設計的基礎培訓，全面系統(tǒng)地講解有限元分析計算的原理，ANSYS軟件的功能和操作流程，工程結構的強度、剛度的分析技巧結構拓撲優(yōu)化等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯(lián)系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的工程結構力學問題。特舉辦“ANSYS工程結構強度、剛度分析與優(yōu)化設計基礎培訓”工程實例培訓，具體內容如下：
一、培訓目標：
（一）、理解有限元分析計算的原理；
（二）、掌握ANSYS workbench軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握工程結構強度、剛度的分析方法和技巧；
（四）、掌握工程結構優(yōu)化設計（拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化）分析方法；
（五）、培養(yǎng)獨立工程結構的力學分析能力。
二、增值服務：
1、贈送培訓同屏錄制高清視頻（價值2680元）
2、贈送資料包；
3、持本人學生證或教師證享有8.5折優(yōu)惠；一個單位同時報名2人享有9折優(yōu)惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優(yōu)惠。
展開 【12月21-24日 成都】結構強度、剛度與輕量化優(yōu)化設計專題培訓
結構強度、剛度與輕量化優(yōu)化設計專題培訓
23個實例模型課程中人手一機操作指導
案例01：簡支梁結構的有限元計算
案例02：自定義材料和材料庫的建立、調用演示實例
案例03：復雜模型的修改和簡化
案例04：利用運動副連接的活塞機構計算
案例05：復雜裝配體的網格劃分技巧
案例06：懸臂結構的靜力分析及后處理技巧
案例07：桁架結構受力分析
案例08：套筒預緊力分析工程實例
案例09：應力集中分析
案例10：開孔方板受力分析
案例11：螺栓預緊連接結構強度計算
案例12：鉗型零件的子模型計算方法
案例13：齒輪動力學計算
案例14：鋼架結構線性屈曲分析工程實例
案例15：實體結構的輕量化設計
案例16：柱體薄壁鋼結構的非線性屈曲計算
案例17：機械支撐結構模態(tài)計算
案例18：橡膠支撐預應力模態(tài)計算
案例19：懸臂支架結構的三維優(yōu)化分析
案例20：懸臂結構的制造約束優(yōu)化設計
案例21：工程機械的兩種瞬態(tài)動力學計算 （完全法和模態(tài)疊加法）
案例22：連桿結構的輕量化優(yōu)化設計
案例23：循環(huán)載荷作用下金屬材料的滯回曲線分析
課程差異化
1、專注CAE仿真計算，13年大量的工程案例積累
2、7000多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成的版權課程體系
3、有自己的超算中心，有豐富的項目案例庫
主講專家
首席專家，力學博士，17年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，獲得專利11項，開發(fā)軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業(yè)背景；擅長靜力學，模態(tài)分析，隨機振動/譜分析，瞬態(tài)動力學時程分析，轉子動力學分析、線性/非線性后屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發(fā)等仿真分析。
展開 
3月26-28日 線上+西安 | Workbench結構強度、剛度計算、穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設計
結構優(yōu)化設計
1、概述
2、優(yōu)化三要素
3、優(yōu)化算法解析
4、優(yōu)化計算設置技巧
5、全局最優(yōu)解的求解策略
工程實例-1：桁架結構優(yōu)化計算的ANSYS Workbench與APDL聯(lián)合仿真（與sci論文結果作比較）
工程實例-2：考慮動力特性的階梯軸的輕量化設計
備注
1、開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
【9月7-9日 鄭州 斯姆勒】ANSYS工程結構強度、剛度分析與優(yōu)化設計基礎培訓
各企事業(yè)單位：
針對新入職員工和設計工程師的數(shù)值仿真能力的提升需求，特展開結構、傳熱、流體、電磁等系列課程的專題基礎培訓，強烈建議零基礎學員在參加其他高級課程前，學習相關專業(yè)的基礎課程。本次培訓為ANSYS workbench工程結構的強度/剛度及優(yōu)化設計的基礎培訓，全面系統(tǒng)地講解有限元分析計算的原理，ANSYS軟件的功能和操作流程，工程結構的強度、剛度的分析技巧結構拓撲優(yōu)化等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯(lián)系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的工程結構力學問題。特舉辦“ANSYS工程結構強度、剛度分析與優(yōu)化設計基礎培訓”工程實例培訓，具體內容如下：
一、培訓目標：
（一）、理解有限元分析計算的原理；
（二）、掌握ANSYS workbench軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握工程結構強度、剛度的分析方法和技巧；
（四）、掌握工程結構優(yōu)化設計（拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化）分析方法；
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二、增值服務：
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展開 144基于matlab的平面桁架結構的總體剛度矩陣計算 ￥15.9
基于matlab的平面桁架結構的總體剛度矩陣計算，最后以圖形形式顯示出桁架結構，程序已調通，可直接運行。
【7月18日-21日 北京】結構強度、剛度與輕量化優(yōu)化設計專題培訓
一、23個實例模型課程中人手一機操作指導：
案例01：簡支梁結構的有限元計算
案例02：自定義材料和材料庫的建立、調用演示實例
案例03：復雜模型的修改和簡化
案例04：利用運動副連接的活塞機構計算
案例05：復雜裝配體的網格劃分技巧
案例06：懸臂結構的靜力分析及后處理技巧
案例07：桁架結構受力分析
案例08：套筒預緊力分析工程實例
案例09：應力集中分析
案例10：開孔方板受力分析
案例11：螺栓預緊連接結構強度計算
案例12：鉗型零件的子模型計算方法
案例13：齒輪動力學計算
案例14：鋼架結構線性屈曲分析工程實例
案例15：實體結構的輕量化設計
案例16：柱體薄壁鋼結構的非線性屈曲計算
案例17：機械支撐結構模態(tài)計算
案例18：橡膠支撐預應力模態(tài)計算
案例19：懸臂支架結構的三維優(yōu)化分析
案例20：懸臂結構的制造約束優(yōu)化設計
案例21：工程機械的兩種瞬態(tài)動力學計算 （完全法和模態(tài)疊加法）
案例22：連桿結構的輕量化優(yōu)化設計
案例23：循環(huán)載荷作用下金屬材料的滯回曲線分析
二、課程差異化：
1、專注CAE仿真計算，13年大量的工程案例積累
2、7000多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成版權課程體系
3、有自己的超算中心，有豐富的項目案例庫
三、主講專家：
首席專家，力學博士，17年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，獲得專利11項，開發(fā)軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業(yè)背景；擅長靜力學，模態(tài)分析，隨機振動/譜分析，瞬態(tài)動力學時程分析，轉子動力學分析、線性/非線性后屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發(fā)等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發(fā)解決特定領域科研/工程問題。
展開 當桁架遇到拓撲優(yōu)化
來源：非解構（id:non-structure)
作者：June0807
研究背景
桁架結構廣泛運用于大跨度建筑結構中，如體育場、體育館、會議中心、超高層連廊等。研究桁架的最優(yōu)受力形態(tài)對工程有較大的意義。本文采用Optistrcut軟件對桁架進行拓撲優(yōu)化分析。
結構優(yōu)化在車身剛度性能優(yōu)化中的應用
如果車身結構設計中剛度設計不足，則車身的振動頻率會引起結構共振，進而引起結構連接的強度失效（產生塑性變形），進而導致車門、窗框、背門框等變形過大。最終導致車門卡死、玻璃破碎、密封失效、漏氣漏水等問題。分析車身的剛度，改進車身結構設計，提高車體剛度是非常重要。
車身性能開發(fā)金字塔的最底層是消費者最易感知的性能，即操穩(wěn)性能，而操穩(wěn)性能直接相關的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉剛度、區(qū)域剛度是和車身操穩(wěn)性能相關的，因此車身扭轉剛度的性能目標應該滿足操穩(wěn)性能要求，也應該由操穩(wěn)性能需求來定義。）
通常更高的車身剛度性能對于操穩(wěn)、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說為了提升上述相關性能可以過度提高剛度性能呢？當然不是，剛度性能提升是要滿足結構最優(yōu)化設計原則，即通過結構優(yōu)化設計來提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來提升剛度性能。在提升剛度性能時還要考慮輕量化要求，只有通過結構優(yōu)化設計才能夠在滿足剛度性能要求時，同時滿足動力經濟性的要求。
結構優(yōu)化包括拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化等方法在優(yōu)化車身性能中具有非常重要的作用。拓撲優(yōu)化可以合理優(yōu)化材料分布，識別車身結構薄弱點。形狀優(yōu)化進一步優(yōu)化零部件結構形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達、歐寶等車型開發(fā)過程中拓撲優(yōu)化在結構性能優(yōu)化中的案例。
實際案例：
拓撲優(yōu)化：
針對車身后端包括C、D柱、dog leg區(qū)域進行拓撲優(yōu)化分析，識別結構弱區(qū)域。
展開 Matlab懸置剛度解耦分析批處理以及剛度值優(yōu)化算法 Adams一邊玩去 ￥10
Matlab運行程序 自動分析懸置解耦，可自行設定剛度值范圍進行優(yōu)化求解等，以及靈敏度分析
如下
視窗設計之2D桁架設計與最佳化平臺
視窗設計之2D桁架設計與最佳化平臺.
視窗設計之2D桁架設計與最佳化平臺.part1.rar
視窗設計之2D桁架設計與最佳化平臺.part2.rar
視窗設計之2D桁架設計與最佳化平臺.part3.rar
波音優(yōu)化跨聲速桁架支撐機翼布局
重新設計的桁架增加了與機身連接處的弦長，后緣前掠，弦長向桁架與上機翼的連接處逐漸減小。桁架和機翼連接處內側的輔助翼柱的位置向外翼移動。哈里森表示：“桁架現(xiàn)在可以產生升力。在上一代翼柱支撐布局飛機上，翼柱會將載荷傳遞到機翼下表面（不利于結構減重）。現(xiàn)在通過解耦，我們可以進行氣動和結構的優(yōu)化，以實現(xiàn)性能的最大化。”
優(yōu)化的TTBW布局將機翼向前移動，使得桁架可在不增加機翼載荷的情況下產生升力
盡管增加了后掠角，機翼仍然保持著同樣的窄弦長、等弦長和52米展長。機翼展弦比依然為19.6，機翼折疊的位置也保持不變，在桁架附著點外側附近。機翼折疊設計使TTBW能夠使用更小的像36米翼展737一樣可以使用的那些機庫門。
哈里森說:“該項目的主要焦點仍然是驗證該結構的氣動效率，我們即將開始風洞驗證。”他補充說:“我們預計，與傳統(tǒng)的懸臂機翼設計相比，它的燃油效率將提高8-10%，但我們仍在驗證這一點。”“即將到來的風洞測試將給我們一個真實的數(shù)字。”
隨著高速構型定義的完成，今年年初將開始在NASA埃姆斯11英尺跨聲速風洞進行0.8馬赫的高速測試。2019年晚些時候繼續(xù)在NASA蘭利14×22英尺的亞聲速風洞進行低速測試。成功的風洞測試可能會為進一步測試和開發(fā)全尺寸X驗證機掃清障礙。
展開 MeshFree桁架梁結構的拓撲優(yōu)化分析
背景介紹
近年來，拓撲優(yōu)化發(fā)展迅速，求解技術不斷發(fā)展并趨于成熟。拓撲分析可以大大提高結構設計師的方案構思效率，在很多行業(yè)和領域的應用越來越多。
本文利用MeshFree對經典桁架梁結構進行拓撲優(yōu)化分析，并與行業(yè)內著名的optistruct軟件結果進行對比，兩者結果幾乎相同。
模型分析
桁架設計空間及工況加載如下圖所示：
模型材質：鋼材，彈性模量=210000，泊松比=0.3，密度=7.8e-9。
邊界條件：左側半圓區(qū)域約束自由度，右端收到垂向載荷。
設計區(qū)域：整個平板；
約束條件：最少質量降低70%；
優(yōu)化目標：結構剛度最大。
結果對比
結果討論
1、通過上述對比可知，兩者的材料分布方案幾乎一樣；
2、優(yōu)化細節(jié)設置及后處理不能完全一致，所以導致細節(jié)存在差異，但是不影響結構方案設計。
3、MeshFree不僅在性能分析方面快速高效，其結構優(yōu)化技術值得推廣應用。
展開 優(yōu)化設計分析系列（一）:靜力學優(yōu)化設計 ￥9
1.1 優(yōu)化設計概述
所謂優(yōu)化，是指最大化或最小化，而優(yōu)化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優(yōu)化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數(shù)值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發(fā)展，結構優(yōu)化算法取得了較大的發(fā)展。根據設計變量的類型不同，結構優(yōu)化已由較低層次的尺寸優(yōu)化發(fā)展到較高層次的結構形狀優(yōu)化，進而發(fā)展到更高層次的拓撲優(yōu)化。優(yōu)化算法也由簡單的準則法發(fā)展到數(shù)學規(guī)劃法，進而發(fā)展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優(yōu)化方法。
1.2 優(yōu)化分析工具
ANSYS Workbench 結構優(yōu)化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優(yōu)化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優(yōu)化分析工具)、Parameters Correlation(參數(shù)相關性優(yōu)化分析工具)、Response Surface(響應曲面優(yōu)化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優(yōu)化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優(yōu)化工具):設置優(yōu)化目標，利用默認參數(shù)進行優(yōu)化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優(yōu)化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數(shù)相關性優(yōu)化分析工具):可以得出某一輸入參數(shù)對響應曲面的影響的大小。
展開 