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基于连续体结构拓扑优化方法的汽车零件结构改进研究
| 论文题名： | 基于连续体结构拓扑优化方法的汽车零件结构改进研究 |
| 关键词： | 连续体结构;拓扑优化;汽车结构设计;SIMP理论;优化准则法;货车驾驶室 |
| 摘要： | 连续体结构拓扑优化是继形状优化和尺寸优化以后，在结构优化领域出现的一种全新的研究方向，它能在确定的连续区域内寻求结构内部材料的最佳分配（边界形状变化、结构的空洞个数及其分布等），使结构能在满足应力、位移等约束条件下，将外载荷传递到结构支撑位置，同时使结构的某些性能指标达到最优。目前，关于拓扑优化中的求解算法和数值计算不稳定现象控制方法的研究仍不够完善，并且国内使用拓扑优化方法在汽车结构设计方面的应用研究仍然比较欠缺。汽车零件多数为连续体结构件，采用拓扑优化方法对零件结构进行优化设计具有很好的应用价值。本文以连续体结构为研究对象，在分析和研究了拓扑优化的插值模型、求解算法和去除数值计算不稳定性方法的基础上，将拓扑优化方法应用于汽车零件结构改进设计的研究中，以提高结构性能或减轻零件质量，取得了较好的效果，为拓扑优化方法的工程应用研究提供了一定的参考依据。 文章首先对连续体结构拓扑优化模型的描述方式及其材料插值模型进行了研究，建立了基于SIMP理论的连续体结构拓扑优化模型；推导了基于SIMP理论的优化准则法和移动渐近线算法，并讨论了不同影响因子的取值范围对拓扑优化结果的影响;分析了拓扑优化中的数值不稳定性现象，在研究现有连续体拓扑优化中去除数值不稳定性的各种算法基础上，验证了改进的局部梯度算法能很好地消除棋盘格和控制网格依赖问题，具有很好的实用价值。 其次，文章应用拓扑优化方法对某微型货车车架进行结构改进，以车架的质量最小化为目标，车架的第一阶固有频率为约束，采用密度法对车架尾部横梁区域进行拓扑优化，得到了较清晰的结构形状，并提出一种结构改进方案，很好的避免了车架的第一阶固有频率与发动机怠速工况下的激励频率发生共振的危险，同时减轻了横梁的质量，减重效果达到15.63％，实现了结构的轻量化设计。 最后，在分析了某微型货车驾驶室的静态性能基础上，得出结构具有一定的冗余设计，尤其是驾驶室的后排座椅框架。因此，基于拓扑优化方法对驾驶室座椅框架进行了结构轻量化设计，在保证其强度和刚度不降低的前提下，优化框架结构，减重0.86kg，减重比为14.63％，减重效果较明显，也为后的车身结构轻量化设计提供了可借鉴的方法。 |
| 作者： | 潘锋 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 朱平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2008 |
| 正文语种： | 中文 |
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