快堆裝載機(jī)支臂結(jié)構(gòu)動靜態(tài)性能拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法

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1、快堆裝載機(jī)支臂結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)性能拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法彭驥，譚峰，衛(wèi)亞斌，殷國富*(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065)摘要：針對快堆裝載機(jī)支臂結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)性能和輕量化設(shè)計(jì)要求，采用有限元法驗(yàn)證了原結(jié)構(gòu)的安全性，提出了一種基于變密度法固體各向同性懲罰微結(jié)構(gòu)（SIMP），通過引入標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)建立起將多工況剛度和動態(tài)多個(gè)低階關(guān)鍵固有頻率歸一為組合柔度指數(shù)最小的動靜態(tài)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，并得到了合理的整體Pareto解。分析結(jié)果表明，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)的支臂動態(tài)性能明顯提高，在安全停堆（SSE）工況下最大Tresca應(yīng)力減小約1

2、0%，結(jié)構(gòu)重量減輕約21.5%，較好地達(dá)到了既提高性能又減輕重量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。關(guān)鍵字：裝載機(jī)支臂變密度法組合柔度指數(shù)動靜態(tài)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化中圖分類號:TL425文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADynamic-staticTopologyOptimizationDesignMethodofFastReactorLoaderArmPengJi,TanFeng,WeiYabin,YinGuofu*(SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)A

3、bstract:Aimingatthedynamicandstaticperformanceandlightweightdesignrequirementsofthefastreactorloaderarm,thesafetyoftheoriginalstructurewasverifiedbyfiniteelementanalysis.Solidisotropicmicrostructureswithpenalization(SIMP)ofartificialmaterialsmethodwasproposed.Introducing

4、thenormalizationcoefficient,thedynamicandstaticmulti-objectivetopologyoptimizationmathematicalmodelwasestablishedtocombinethemulti-conditionstiffnessandthedynamickeylow-orderfrequenciesintominimuncombinedcomplianceindex,andtheglobalParetosolutionwasobtained.Theresultssho

5、wedthatthedynamicperformanceoftheredesignedarmbasedonthetopologyoptimizationresultsincreasedgreatlywithadecreasingabout10%ofmaximumTrescastressunderSSEconditionandadecreasingabout21.5%ofweight,wellmeetingthestructureoptimizationgoalofimprovingperformancesandreducingweigh

6、t.Keywords:loaderarm;artificialmaterialsmethod;combinedcomplianceindex;dynamic-staticmulti-objectivetopologyoptimization收稿日期：基金項(xiàng)目:四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（編號：2014GZ0125、2015GZ0015）作者簡介：彭驥（1992-），男，碩士生。研究方向：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)熱、動力學(xué)。E-mail:527606653@qq.com*通信聯(lián)系人E-mail:gfyin@scu.edu.cn網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:網(wǎng)絡(luò)出版

7、地址：快堆裝載機(jī)是用于某新型核電廠中進(jìn)行燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)操作的重型核電設(shè)備。該裝載機(jī)支臂作為整機(jī)的重要支撐零部件，在不同工況下承受著整個(gè)抓取物的重量，其動靜力學(xué)性能的好壞直接影響整機(jī)工作能力和燃料組件運(yùn)輸安全。由于考慮核電設(shè)備的特殊安全性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)過于保守，很少采用輕量化設(shè)計(jì)理念，使得原設(shè)計(jì)的裝載機(jī)過于笨重，性能與重量比很小。目前有關(guān)核電設(shè)備的大部分文獻(xiàn)主要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行以抗震分析為主的研究，驗(yàn)證原結(jié)構(gòu)的安全性，很少進(jìn)行優(yōu)化方面的探索。文獻(xiàn)[1-3]均針對典型核電設(shè)備進(jìn)行動靜態(tài)分析，缺少進(jìn)行優(yōu)化方面的研究。因此，針對目前國家大力發(fā)展的重型核

8、電設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究具有一定的探索和工程意義。拓?fù)鋬?yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要方法之一，目前在航空航天、汽車等行業(yè)應(yīng)用甚廣。Zhu[4]等研究了拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用在航空航天業(yè)的最新進(jìn)展，文獻(xiàn)[5-7]基于拓?fù)鋬?yōu)化原理