面向实际工程需求的点阵—实体协同一体化设计方法研究

作     者：周鑫 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏珂

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：晶胞筛选 拓扑优化 增材制造 

摘      要：随着工业4.0的到来,机械结构的轻量化设计逐渐被重视。使用多孔结构替代实体结构减轻其重量以及通过理论分析或数值模拟求解出结构的受力薄弱区域并去除均可以有效提高结构的轻量化水平。为了在保证结构的强度基础上进一步提高结构的轻量化水平,面向实际工程需求开展点阵-实体协同一体化设计方法研究至关重要。 本文基于六种点阵结构的力学性能分析,筛选出等体积分数下力学性能更好的点阵构型;针对某型螺栓拧紧机上关键零件的实际工程需求,明确其工作状态下的载荷、约束及边界条件,开展拓扑优化设计;将点阵结构填充进拓扑优化后的实体结构,在保证轻量化设计的前提下进一步提高了零件的极限负载以及使用寿命。主要结论如下: (1)不同点阵结构的力学性能不同,通过点阵结构力学压缩仿真与试验结果可以看出,在设置单胞边长尺寸及体积分数相同的约束条件下,四面体片面结构的力学性能最好,同时试验与仿真的最大误差控制在20%以内,仿真结果可靠。 (2)面向工程实际需求对某型螺栓拧紧机关键零件进行工况分析,在此基础上进行实体拓扑优化设计,获取了适合螺栓拧紧机工况下的实体结构;并在此基础上引入了点阵结构替代去除区域完成了点阵-实体协同一体化设计。 (3)针对三种关键零件的初始实体结构、拓扑优化结构以及点阵-实体协同结构开展了力学仿真和试验,对比分析了其对应工况下的极限载荷、破坏形态以及应力集中情况,分析其各自的力学性能。结果发现,三种关键零件的初始实体结构的极限载荷最大,但是其质量较高;拓扑优化结构的质量最轻,但是其极限载荷远小于初始实体结构;相比之下,点阵-实体协同结构的质量较初始实体结构有较大的优势,其力学性能仍能保持较好的优势。 (4)针对关键零件中的滑块点阵-实体协同一体化机构中的点阵部分开展多目标优化设计。以点阵结构的杆径和杆长作为设计变量,以结构总质量和其极限载荷作为目标函数,优化后的结构的轻量化程度和极限载荷均有明显提高,相比初始结构,优化后的结构总质量下降5.86%,极限载荷提升17.44%。 (5)针对螺栓拧紧机结构装配体开展结构设计及外观设计,在满足结构工程需要的前提下,提升其艺术美观性。