秦东晨，杜　鹏

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)



大型箱体零件结构拓扑优化设计研究

秦东晨，杜鹏

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)

摘要：大型箱体零件在机械设备中使用广泛，主要依靠传统经验设计而成，结构笨重.采用SIMP变密度法，以柔顺度最小化为目标，体积为约束，建立了大型箱体零件结构的拓扑优化数学模型.利用密度过滤和灰度过滤处理，解决了拓扑优化过程中数值不稳定问题.使用OC准则求解获得不同载荷工况下的拓扑结构，通过结构综合获得大型箱体零件新型结构，并用有限元方法验证该结构的可行性和实用性，为大型箱体零件的结构设计提供了一种有益的指导.

关键词：大型箱体零件；拓扑优化；变密度法；惩罚因子；过滤函数

0引言

大型箱体零件是指机械设备中体积、重量较大，内部有筋板布置，承受一定载荷的壳体结构零件，是装备制造业重要基础件之一，例如机床床身、桥式起重机主梁等.目前，大型箱体零件结构设计主要采用类比和经验等传统设计手段，零件结构笨重.拓扑优化能够进行结构大幅度减重设计和创新设计，许华旸[1]等对惯性载荷下的飞行模拟器大臂使用导重法进行拓扑优化研究，减轻了结构重量；刘书田[2]等对大口径空间光学反射镜的筋板位置进行拓扑优化，获得了合理的筋板布局.拓扑优化已经成为工程设计领域重要的研究课题.

大型箱体零件拓扑优化方面，雷少敏等[3]使用拓扑优化对多载荷工况下的铣床横梁筋板布局进行了研究；……