摘要：白车身柔性焊接生产线是生产乘用车的核心装备。近年，随着汽车市场的快速增加，急需年产量20万辆以上的高速柔性焊接生产线。高速柔性输送装备是高速焊接线中的关键部分，负责在短时间内完成车身和随行夹具的输送。由于输送时间短，高速柔性输送设备必须满足质量低的要求以减轻驱动系统的负担。结构拓扑优化策略是在高精度的偏微分方程数值解法和高性能计算机的基础上进展而成的一种新兴的结构优化策略。它能够在给定的结构应力、质量、或者固有频率等约束条件的限制下，以结构刚度、质量或者传热效率为目标，通过一定的计算流程得到设计空间内材料的最优拓扑分布。经过多年的进展，结构拓扑优化领域涌现出均匀化策略、材料密度插值策略和渐进结构优化法等行之有效的策略。这些策略广泛运用在汽车和航空航天等领域。但是，这些策略并不是完美无缺。它们在计算是常常会遭遇棋盘格式、网格依赖性等数值不稳定现象。本论文以结构拓扑优化的力学和数学基础出发，浅析探讨基于密度插值模型和优化准则法的拓扑优化数学模型和计算模型。以MATLAB程序为基础，探讨了滤波算法在阻止数值不稳定现象方面的作用。以白车身高速输送设备为对象，在结构浅析的基础上，考虑可变位置约束，对随行夹具的结构进行了拓扑优化设计。在提升结构性能的同时有效减少了材料利用量，取得了良好的优化效果。对今后结构拓扑优化策略的工程运用具有一定参考作用。首先，以优化不足最基本的形式出发，结合弹性力学的基本方程和偏微分方程的等效积分求解策略，推导了有限元数值求解格式。在有限元策略的基础上，基于材料密度插值模型和准则优化法，建立了拓扑优化不足的数学模型和计算模型，编写了基本的MATLAB计算程序。之后，以MATLAB计算程序为基础，浅析了拓扑优化计算中常见的数值不稳定现象。深入探讨了滤波算法中滤波半径这一关键参数对数值不稳定现象的抑制作用以及对优化计算历程和结果的影响。最后，校核了高速输送设备中的包胶轮、连接键和随行夹具三个关键部件。针对随行夹具末端形变过大的不足，以结构变形为约束，以结构质量最小为目标，分别对12种支撑条件下的模型进行了优化计算。在浅析优化结果中材料分布特点的基础上，重新设计随行夹具结构。验算表明，新案例能够满足变形指标，并且相比原设计案例节省了22.6%的材料。关键词：结构扑优化论文滤波算法论文输送设备论文优化设计论文可变约束论文
摘要5-7
ABSTRACT7-11
第一章 绪论11-19
1.1 本论文探讨背景及作用11-12
1.2 国内外探讨近况12-17
1.2.1 结构拓扑优化的不同求解策略12-15
1.2.2 结构拓扑优化中的数值不稳定现象及其解决策略15-16
1.2.3 结构拓扑优化的工程运用16-17
1.3 本论文探讨内容17-19
第二章 连续体结构拓扑优化的数学模型和计算模型19-30
2.1 连续体结构拓扑优化的数学模型19-27
2.1.1 连续体结构拓扑优化的数学模型的基本表述19-20
2.1.2 连续体结构拓扑优化的有限元基础20-22
2.1.3 结构拓扑优化的材料插值模型22-25
2.1.4 结构拓扑优化数学模型的求解25-27
2.2 连续体结构拓扑优化的计算模型27-29
2.2.1 连续体结构拓扑优化的程序流程27-28
2.2.2 连续体结构拓扑优化的计算案例28-29
2.3 本章小结29-30
第三章 拓扑优化计算中数值现象及关键参数的探讨30-47
3.1 数值不稳定现象及常用解决手段30-33
3.1.1 数值不稳定现象介绍30-31
3.1.2 SIMP 材料密度差值模型中的滤波算法31-33
3.2 滤波算法消除数值不稳定现象的探讨33-46
3.2.1 滤波算法消除棋盘格式的有效性验证33-35
3.2.2 滤波半径对拓扑优化计算的影响35-43
3.2.3 滤波策略对网格依赖性的影响43-46
3.3 本章小结46-47
第四章 高速输送设备的性能浅析和结构拓扑优化47-67
4.1 高速输送设备的结构浅析47-58
4.1.1 驱动系统关键部件的强度校核47-53
4.1.2 随行夹具的刚强度浅析53-58
4.2变约束条件下随行夹具的结构拓扑优化设计58-66
4.2.1 拓扑优化模型的建立58-60
4.2.2 不同约束条件下优化计算的探讨60-63
4.2.3 随行夹具最终设计案例的确定及评价63-66
4.3 本章小结66-67
第五章 结论与展望67-69
5.1 主要结论67-68
5.2 探讨展望68-69
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