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基于结构优化理论的复杂板壳骨架式结构轻量化研究
| 论文题名： | 基于结构优化理论的复杂板壳骨架式结构轻量化研究 |
| 关键词： | 道路清扫车;复合式垃圾箱;板壳骨架式结构;轻量化理念;等应力设计;尺寸优化 |
| 摘要： | 本文所研究的板壳骨架式结构是一种以内部（或外部）的框架式结构为支撑、以外部（或内部）的板壳状零件（长度和宽度远大于厚度）为次要支撑的机械结构，通常还包括一些对结构整体刚度起影响较小的附属零件。当零件数目较多且工况复杂时，称为复杂板壳骨架式结构。对于此类结构来说，降低其质量不仅可以降低制造成本，提高产品竞争力，而且可以降低行驶和运输过程中的燃料消耗，这对于解决我国严峻的能源安全问题有重要意义。 受圆轴承受扭转载荷时空心轴质量更轻的启发，提出了“尺寸优化最终能达到什么程度不仅取决于优化设计变量和优化算法的选择，还取决于原结构的合理性”这一观点；结合桁架结构的满应力设计准则，提出了复杂板壳骨架式结构的合理性（等应力）设计：在满足使用要求的前提下，使结构大部分区域的应力值达到或接近应力许用值。在此基础上本文以道路清扫车复合式垃圾箱的轻量化为例，主要做了以下工作： ①针对板壳骨架式结构的特点，讨论网格类型、焊点和约束简化对计算结果的影响；对复合式垃圾箱进行了有限元建模与分析；结果显示初始设计方案有应力集中和变形过大的地方，需要修改。 ②出于使零件各处的应力尽量处在某一区域内的目的，提出了复杂板壳骨架式结构等应力修改设计的三条原则：改小不改大原则、载荷传递路线最短原则、典型应力集中结构最少原则；对复合式垃圾箱的初始设计方案进行了等应力修改设计，得到了一个满足使用要求且应力分布较为均匀的设计方案。 ③采用了基于等强度思想和制造工艺的设计变量选择与分组方法；采用了尺寸优化中将小质量零件视为非独立设计变量的方法；确定了复合式垃圾箱22个独立设计变量；建立了以质量为目标函数、以零件壁厚为设计变量、以应力和变形不超过许用值为约束条件的垃圾箱轻量化数学模型。 ④提出了板壳焊缝单元的厚度在OptiStruct尺寸优化中的处理方式；经过32步迭代后，结果收敛，垃圾箱的重量减少了562.7kg，约22.05％；对比结果表明经过等应力修改后的垃圾箱虽然重量稍微增加，但是尺寸优化后却得到了良好的轻量化效果，验证了复杂板壳骨架式结构合理性（等应力）设计的正确性；指出了当设计变量达到上限或下限时，后续工作的结构轻量化方向。 本文提出的复杂板壳骨架式结构等应力设计思想及修改设计原则能够指导其它此类结构的轻量化开发，基于等强度思想和制造工艺的设计变量选择与分组方法、小质量零件的非独立设计变量处理方式在多变量轻量化化问题中具有借鉴意义。 |
| 作者： | 张坤 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 邓亚东 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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