交会对接运动模拟器横梁的结构优化研究

论文摘要

交会对接运动模拟器用以模拟空间飞行器的交会对接过程的仿真设备。它的三维平动系统是用以实现三个平动自由度的重要构件。该系统的性能对整个模拟器的性能有很重要的影响。本文所设计的运动横梁是三维平动系统的重要构件。横梁既要支撑转台、立柱及其运动,又要沿横向轨道运动。为了保证系统精度并降低驱动负担,要求横梁刚度足够大,并最大限度降低其质量,因此,开展基于动态特性的横梁结构的优化设计十分必要。本文介绍了课题产生的背景和意义,概述了结构拓扑优化的国内外研究现状。论文以“九自由度运动模拟系统”为背景对横梁进行分级优化设计。利用拓扑优化对横梁进行布局优化,得到两种概念结构。以这两种概念结构为模型,结合工程实际情况设计了初始方案的两种横梁结构,找到对横梁结构影响最大的载荷位置,并对此载荷位置的横梁进行结构参数优化。通过对初始方案两种横梁的优化结果及动力学分析,本文进行了改进方案的横梁结构设计及参数优化设计,得到了质量和刚度分布更加合理的横梁结构。本文采用分级优化设计方法设计横梁的结构,取得了十分显著的效果。分级优化设计方法首先利用拓扑优化得到概念形状,再进行工程调整和参数优化,确定最优结构。这种设计方法克服了传统设计中初始设计仅限于经验和直觉的缺点,综合采用拓扑优化和参数优化两种优化方法,使得设计更合理、更科学。这种设计方法不仅适用于大型复杂构件的设计研究,同样适用于其他具有动态特性要求的机电及桥梁建筑等工程项目的理论研究和实际应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及其意义
• 1.2 结构拓扑优化的国内外研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 横梁结构的概念设计
• 2.1 分级优化设计方法简介
• 2.2 拓扑优化中的变密度法
• 2.3 横梁的拓扑优化
• 2.3.1 建立横梁的有限元模型
• 2.3.2 拓扑优化问题描述
• 2.3.3 拓扑优化过程
• 2.4 设计横梁的概念结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于拓扑优化的横梁初始设计方案
• 3.1 横梁初始结构设计
• 3.2 比较载荷位置对横梁变形的影响
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 载荷位置优选
• 3.3 横梁结构一的参数优化分析
• 3.3.1 横梁优化参数的选择
• 3.3.2 优化问题描述
• 3.3.3 优化方法的选择
• 3.3.4 优化结果分析
• 3.4 横梁结构二的参数优化分析
• 3.5 两种结构的横梁比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 横梁改进结构设计
• 4.1 改进横梁的结构
• 4.2 比较载荷位置对横梁变形的影响
• 4.3 横梁参数优化设计
• 4.3.1 横梁优化参数的选择
• 4.3.2 建立横梁的有限元模型
• 4.3.3 横梁的参数优化
• 4.3.4 优化结果分析
• 4.4 载荷位置校验
• 4.5 两种方案结构对比
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理
• 致谢