Topology optimization and dimensional optimization design of test bench fixtures

WANG Jiongteng; YANG Guangwu; XIAO Shoune; ZHU Tao; YANG Bing; CAI Songcen

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.007

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Topology optimization and dimensional optimization design of test bench fixtures

·Optimization·Reliability· | 更新时间：2026-03-16

- Topology optimization and dimensional optimization design of test bench fixtures
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 3, Pages: 60-67(2026)
- 作者机构：
  
  西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，成都 610031
- 作者简介：
  
  YANG Guangwu, E-mail: gwyang@home.swjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  Scientific Research and Development Plan of China Railway Corporation(P2018J001)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.007
  CLC： TU178.5
- Received：15 July 2024，
  
  Revised：2024-08-16，
  
  Published：15 March 2026
- 稿件说明：
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汪炯藤，阳光武，肖守讷，等. 试验台工装拓扑优化及尺寸优化设计［J］. 机械强度，2026，48（3）：60-67.

WANG Jiongteng，YANG Guangwu，XIAO Shoune，et al. Topology optimization and dimensional optimization design of test bench fixtures［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（3）：60-67.
汪炯藤，阳光武，肖守讷，等. 试验台工装拓扑优化及尺寸优化设计［J］. 机械强度，2026，48（3）：60-67. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.007.

WANG Jiongteng，YANG Guangwu，XIAO Shoune，et al. Topology optimization and dimensional optimization design of test bench fixtures［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（3）：60-67. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.007.

摘要

目的

拓扑优化是一种当前使用较为普遍的优化方法，其通过优化材料构造，在给定的设计空间和约束条件下找到结构设计的最优形状、实现轻量化和满足约束条件。基于变密度拓扑优化法的思想，以某试验台工装结构为分析对象，阐述了建立拓扑优化的数学模型及求解方法，以期为基于先进设计方法的结构设计提供参考。

方法

首先，在HyperMesh仿真软件中采用OptiStruct模块创建工装有限元模型，以最小质量和最大1阶频率为优化目标，对单工况下的工装结构进行拓扑优化及尺寸优化，合理布置材料分布及优化板件厚度，提高工装设计质量；其次，根据优化结果及制造加工实用性，设计新的工装结构；最后，在Nastran模块中按照GB/T 21563—2018标准对工装模型进行强度校核。工装结构完成实际加工后，将其置于振动台上，分别实施纵向、横向与垂向扫频试验，随后将试验结果与仿真结果进行对比。

结果

结果表明，1阶模态频率从766 Hz提升至1 009 Hz，提高了31.72%；同时，工装质量从51 kg降至44.26 kg，减轻13.24%，且强度符合设计标准，整体达到了预期的优化目标。

Abstract

Objective

Topology optimization is a widely used optimization method that optimizes material construction

finds the optimal shape of structural design under given design space and constraints

achieves lightweighting

and satisfies constraints. Based on the idea of variable density topology optimization method

taking the fixture structure of a certain test bench as the analysis object

and the establishment of a mathematical model and solution method for topology optimization were elaborated in detail

in order to provide reference for structural design based on advanced design methods.

Methods

Firstly

a finite element model of the tooling was established in the HyperMesh simulation software using the OptiStruct module. With the minimum mass and maximum first-order frequency as the optimization objectives

topology optimization and size optimization were conducted on the tooling structure under a single working condition. The material distribution was reasonably arranged and the thickness of the plates was optimized to improve the quality of tooling design.Secondly

based on the optimization results and the practicality of manufacturing and processing

a new tooling structure was designed. Finally

in the Nastran module

the strength check of the tooling model was carried out in accordance with the GB/T 21563—2018 standard. After the actual processing of the tooling structure was completed

the tooling was placed on a vibration table

and longitudinal

transverse and vertical sweep frequency tests were conducted respectively. Subsequently

the test results were compared with the simulation results.

Results

The results show that the first-order modal frequency has increased from 766 Hz to 1 009 Hz

representing a rise of 31.72%. Meanwhile

the fixture mass has decreased from 51 kg to 44.26 kg

a reduction of approximately 13.24%

its strength meets the design standards and the overall objective is successfully achiered.

关键词

Keywords

references

赵婉霖，徐安，林海东 . 基于SIMP方法的多约束连续体拓扑优化方法研究［J］. 四川建筑科学研究， 2021 ， 47 （ 5 ）： 26 - 34 .

ZHAO Wanlin ， XU An ， LIN Haidong . SIMP-based topology optimization of continuum structure with multiple constraints ［J］. Sichuan Building Science ， 2021 ， 47 （ 5 ）： 26 - 34 . （In Chinese）

汤颖颖 . 基于变密度法的连续体拓扑优化设计［D］. 西安：长安大学， 2008 ： 15 - 16 .

TANG Yingying . Topology optimization design of continuum based on variable density method ［D］. Xi’an ： Chang’an University ， 2008 ： 15 - 16 . （In Chinese）

BENDSØE M P ， KIKUCHI N . Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method ［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering ， 1988 ， 71 （ 2 ）： 197 - 224 .

肖贺平，王涛，邓承浩，等 . 拓扑优化在概念设计中的应用研究［C］// 中国汽车工程学会 . 2019中国汽车工程学会年会论文集（ 2 ）. 北京：机械工业出版社， 2019 ： 4 .

XIAO Heping ， WANG Tao ， DENG Chenghao ， et al . Application research of topology optimization in conceptual design ［C］// China Society of Automotive Engineers . Proceedings of the 2019 China Society of Automotive Engineers Annual Conference （Ⅱ） . Beijing ： China Machine Press ， 2019 ： 4 . （In Chinese）

SETHIAN J A ， WIEGMANN A . Structural boundary design via level set and immersed interface methods ［J］. Journal of Computational Physics ， 2000 ， 163 （ 2 ）： 489 - 528 .

XIE Y M ， STEVEN G P . A simple evolutionary procedure for structural optimization ［J］. Computers & Structures ， 1993 ， 49 （ 5 ）： 885 - 896 .

龙凯，左正兴 . 连续体结构拓扑优化的节点独立连续映射法［J］. 应用力学学报， 2009 ， 26 （ 2 ）： 212 - 217 .

LONG Kai ， ZUO Zhengxing . Nodal independent continuous mapping method for topology optimization of continuum structures ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 2009 ， 26 （ 2 ）： 212 - 217 . （In Chinese）

史天翔，郭建烨，史江，等 . 基于ANSYS Workbench的吊装工装静力分析及拓扑优化设计［J］. 锻压装备与制造技术， 2021 ， 56 （ 6 ）： 49 - 53 .

SHI Tianxiang ， GUO Jianye ， SHI Jiang ， et al . Static analysis and topology optimization design of hoisting tooling based on ANSYS Workbench ［J］. China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology ， 2021 ， 56 （ 6 ）： 49 - 53 . （In Chinese）

王子宁，伍建军，向健明，等 . 基于拓扑优化与6σ稳健性的检修工装支撑座轻量化设计［J］. 机械强度， 2020 ， 42 （ 1 ）： 94 - 101 .

WANG Zining ， WU Jianjun ， XIANG Jianming ， et al . Lightweight design for overhaul tooling support seat based on topology optimization and six sigma robustness ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2020 ， 42 （ 1 ）： 94 - 101 . （In Chinese）

王海涛，李初晔 . 基于拓扑优化的大推力测量工装设计及应用［J］. 制造技术与机床， 2014 （ 10 ）： 30 - 33 .

WANG Haitao ， LI Chuye . Design and application based on topological optimization for measuring large-thrust technological tooling ［J］. Manufacturing Technology & Machine Tool ， 2014 （ 10 ）： 30 - 33 . （In Chinese）

胡培龙，陆晓黎，上官文斌 . 汽车动力总成悬置骨架的拓扑优化设计［J］. 噪声与振动控制， 2010 ， 30 （ 6 ）： 83 - 86 .

HU Peilong ， LU Xiaoli ， SHANGGUAN Wenbin . Topological optimization design for powertrain mount framework of automobiles ［J］. Noise and Vibration Control ， 2010 ， 30 （ 6 ）： 83 - 86 . （In Chinese）

RIETZ A . Sufficiency of a finite exponent in SIMP （power law） methods ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization ， 2001 ， 21 （ 2 ）： 159 - 163 .

于万元，王超，宁胜花，等 . 基于拓扑优化的车身接附点结构设计［J］. 机械设计， 2023 ， 40 （增刊1 ）： 63 - 66 .

YU Wanyuan ， WANG Chao ， NING Shenghua ， et al . Structural design of vehicle body attachment points based on topology optimization ［J］. Journal of Machine Design ， 2023 ， 40 （ Suppl.1 ）： 63 - 66 . （In Chinese）

孟祥超，孙有平，何江美，等 . 某车型铝合金前副车架拓扑优化概念设计［J］. 制造业自动化， 2023 ， 45 （ 10 ）： 71 - 75 .

MENG Xiangchao ， SUN Youping ， HE Jiangmei ， et al . Conceptual design of topology optimization for aluminum alloy front subframe of a vehicle ［J］. Manufacturing Automation ， 2023 ， 45 （ 10 ）： 71 - 75 . （In Chinese）

俞秋惠，陈剑 . 振动试验夹具的优化设计及模态试验［J］. 噪声与振动控制， 2010 ， 30 （ 6 ）： 67 - 69 .

YU Qiuhui ， CHEN Jian . Optimization design and modal test of fixtures for vibration testing ［J］. Noise and Vibration Control ， 2010 ， 30 （ 6 ）： 67 - 69 . （In Chinese）

张傲 . 基于稀疏快速傅里叶变换的时频分析技术研究［D］. 成都：西南交通大学， 2018 ： 7 - 8 .

ZHANG Ao . Research on time-frequency analysis technology based on sparse fast Fourier transform ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2018 ： 7 - 8 . （In Chinese）

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