本文關鍵詞：基于拓撲優(yōu)化理論的高速柔性輸送裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

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【摘要】：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(nèi)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(zhì)量低的要求以減輕驅(qū)動系統(tǒng)的負擔。 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。它能夠在給定的結(jié)構(gòu)應力、質(zhì)量、或者固有頻率等約束條件的限制下，以結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)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(nèi)材料的最優(yōu)拓撲分布。經(jīng)過多年的發(fā)展，，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析的基礎上，考慮可變位置約束，對隨行夾具的結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化設計。在提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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，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(jié)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(jié)構(gòu)變形為約束，以結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小為目標，分別對12種支撐條件下的模型進行了優(yōu)化計算。在分析優(yōu)化結(jié)果中材料分布特點的基礎上，重新設計隨行夾具結(jié)構(gòu)。驗算表明，新方案能夠滿足變形指標，并且相比原設計方案節(jié)省了22.6%的材料。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH22

【參考文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 楊姝;復雜機械結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化若干問題研究[D];大連理工大學;2007年

本文編號：1156465