《根据HyperWorks的某雷达零部件的拓扑优化设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《根据HyperWorks的某雷达零部件的拓扑优化设计.pdf（66页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、合肥工业大学 硕士学位论文 基于HyperWorks的某雷达零部件的拓扑优化设计 姓名：李博 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈科 20090401 基于H y p e r W o r k s 的某雷达零部件的拓扑优化设计 摘要 在产品的研发过程中，对研究对象进行分析、仿真计算将对提高产品的设 计质量、缩短产品的开发周期起着非常重要的作用。基于此，本文就产品研发 过程中常用的结构优化设计和拓扑优化设计的理论、方法进行了一些探讨，并 针对不同的应用实例进行了分析研究。 结构优化设计是将优化技术与有限元分析技术结合起来的一种现代设计手 段，其目的是设计出满足给定的各种要求( 如最
2、佳结构尺寸、形状等) 结构优 化设计充分利用了计算机技术、有限元技术和优化技术，可大大缩短设计周期， 降低产品材料消耗，提高产品精度和性能，并将产生明显的经济效益。目前C A E 应用软件众多，如何在实际工程应用中选择合适的C A E 软件，进而进行产品设 计、研发，获得最佳的设计效果，对于设计者尤其是缺乏丰富设计经验的设计 者而言，还是较为困难的。 本文对目前较为常用的四种有限元求解器一一O p t i s t m c t9 0 、A B A Q U S 6 7 1 E F 、A N S Y S1 0 0 和P r o M E C H A N I C A 进行了分析，用这四种求解器分别 对某
3、型号液压机的工作台进行了有限元分析。首先，本文基于H y p c r W o r k s 建 立了液压机工作台模型，其次，分别使用上述四种不同的求解器对该液压机工 作台进行了静力分析，求得了的该工作台在一定工况下的应力和应变，得到一 些原始数据，并使这些计算结果与实际情况对比，这些数据对厂家进行该液压 机工作台的改进提供了依据，同时也以此为例对四种不同C A E 应用软件的适用 场合、各自的优缺点等进行了对比分析和研究，初步探讨了四种不同C A E 应用 软件在产品研发过程中的应用情况。 结构拓扑优化也是本文的重要部分之一。结构拓扑优化是一门新兴的工程 技术，并且已经取得了一定的成功。本文在学
4、习拓扑优化设计理论的基础上， 研究了拓扑优化设计方法，以某型号雷达的一个零件一一支耳为应用对象，利 用大型分析软件工具H y p e r W o r k s9 0 对其进行了拓扑优化设计，根据实际尺寸 和边界条件创建了三维拓扑优化模型，采用拓扑优化设计中的变密度法，获得 了支耳的优化模型，该结果较好地反映了工程实际情况。 关键词：液压机工作台；有限元分析；H y p e r W o r k s ；设计分析平台；拓扑优化 T o p o l o g yO p t i m i z a t i o nD e s i g no faR a d a r P a r t sB a s e dO n H y
5、 p e r W o r k s A B S T R A C T I np r o d u c tR&D p r o c e s s ，a n a l y s i so ft h es t u d y ，s i m u l a t i o no ft h ed e s i g np l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gd e s i g nq u a l i t y ，s h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e B a s e do nt h i s
6、，T h i sa r t i c l ed i s c u s ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nw h i c hi Sc o m m o n l yu s e d i np r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt o p o l o g yo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dm e t h o d s T h i sa r t i c l em a k e sr e s e a r c hf o rE x a m p l e so
7、fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n st o o S t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sad e s i g nt o o lw h i c hc o m b i n e st h eo p t i m i z e t e c h n o l o g ya n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e b e
8、s ts t r u c t u r es i z e ，s h a p e ，e t c S t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm a k e sf u l lu s eo f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，f i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g ya n do p t i m i z a t i o nt e e h n i q u e s ，c a n g r e a t l ys h o r t e nt h ed e s i g n
9、c y c l e ，r e d u c em a t e r i a lc o n s u m p t i o n ，i m p r o v ep r o d u c t a c c u r a c ya n dp e r f o r m a n c e ，a n dg e n e r a t e ss i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t s A tp r e s e n t ， t h e r e i sm u c hC A Ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e I t Sv e r yd i
10、 f f i c u l tf o rt h ed e s i g n e r s e s p e c i a l l yt h el a c ko fr i c he x p e r i e n c ed e s i g n e r st h a th o w t oS e l e c tt h ea p p r o p r i a t e C A Es o f t w a r ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sf o rP r o d u c td e s i g n ，R & Da n d D
11、 e s i g nt h eb e s tr e s u l t s T h i sa r t i c l eu s ef o u rm o r ec o m m o n l yu s e df i n i t ee l e m e n ts o l v e r - O p t i s t r u c t 9 0 、A B A Q U S6 7 1 - E F 、A N S Y S10 0a n dP r o M E C H A N I C Am a k ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sf o rh y d r a u l i cm o d
12、e lo fat a b l e F i r s t l y ，t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e sah y d r a u l i c m a c h i n et a b l em o d e l S e c o n d l y , t h i sa r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h eh y d r a u l i ct a b l e s t r e s sa n ds t r a i nw h i c hw e r ec a l c u l a t e db yd i f f e r e n ts
13、o l v e r ，a n dg e ts o m er a wd a t a ， t h e nc o m p a r et h er e s u l t so ft h e s ec a l c u l a t i o n sw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n T h e s ed a t a n o t o n l yp r o v i d e s ab a s i st o i m p r o v e t h eh y d r a u l i cm a c h i n et a b l ef o r t h e m a n u f a c
14、 t u r e r s ，b u ta l s oc o m p a r et h ea p p l i c a t i o no fo c c a s i o n sa n da d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ff o u rd i f f e r e n tC A Ea p p l i c a t i o n s T h i sa r t i c l ep r e l i m i n a r yd i s c u s s t h e a p p l i c a t i o n o ft h ef o u rd i f
15、f e r e n tC A Ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nP r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s s S t r u c t u r a lt o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm e t h o di sa l s oa ni m p o r t a n tf o c u so nt h i s a r t i c l e T h em e t h o di san e w l yd e v e l o p i n gt e c h n i q u
16、ea n dh a sa c h i e v e dr e m a r k a b l e S u c c e s s T h i sa r t i c l eS t u d yt h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do nl e a r n i n gt h e t h e o r yo ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o n T h i sa r t i c l eu s el a r g e s c a l ea n a l y s i ss o f t w a
17、r e H y p e r W o r k s9 0t om a k et o p o l o g yo p t i m i z a t i o no far a d a rp a 九s T h i sa r t i c l ec r e a t e s at h r e e d i m e n s i o n a lt o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm o d e la c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i z ea n d b o u n d a r yc o n d i t i o n s T h i sa
18、r t i c l eu s e sv a r i a b l ed e n s i t ym e t h o do ft o p o l o g y o p t i m i z a t i o nt oo b t a i nt h eo p t i m a lm o d e lo far a d a rp a r r t s T h er e s u l t sb e t t e rr e f l e c t t h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h ep r o je c t K e y w o r d s ：H y d r a u l i ct a
19、b l e ；F i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ；H y p e r W o r k s ；D e s i g n a n da n a l y s i sp l a t f o r m ；T o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 图 图 图 图 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 插图清单 传统的产品设计流程l C A E 技术改进了传统的产
20、品设计流程1 优化驱动的产品设计流程2 优化技术在产品设计过程中的作用2 拓扑优化图例6 尺寸优化图例7 形状优化图例7 形貌优化图例8 采用有限元法进行结构分析的一般流程1 9 H y p e r W o r k s 有限元分析的主要步骤2 5 A B A Q U S 分析过程2 6 P r o M E C H A N I C AS t r u c t u r e 工作流程3 5 单动液压机工作台模型3 6 液压机工作台网格划分3 8 H y p e r W o r k s 有限元模型输出3 8 模型的应力分布3 9 模型的位移分布图3 9 典型的拓扑优化设计流程5 0 某雷达支耳的初始设计
21、结构5 1 某雷达支耳的载荷和约束情况5 1 模型的应力分布图5 2 模型的位移分布图5 2 拓扑优化的分析结果5 3 根据拓扑优化的设计结果5 3 表格清单 表3 1计算结果列表3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 奎博 签字日期：劢呷年争月f 7 日 学位论文版权使用
22、授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆王 些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 奎博 、，V 签字日期明年f 月旧E l 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 法卅 签字眺冲帅7 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我尊敬的导师一一陈科老师悉心指导下完成的。陈科老师科 研工作严谨求实、专业知识渊博、实践经验丰富
23、，这些都为我们树立了良好的 学习楷模；使我受益匪浅。我在攻读硕士学位期间所取得的每一点进步都离不 开导师的指导和帮助；在科研中给予我方向上和理论上的指导。在这两年多的 时间里，导师不仅在学业上给予我精心指导，而且在生活上也给予了我无微不 至的关怀。谨向我的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢C A D C A M 中心的吕新生、王晓枫、曹文钢等各位老师对我的指导 和帮助。 感谢郑红梅老师，姜康老师，彭五四、吴晓凡、龚子斌、钟志攀、白迎 春、王锐、范超、邓磊等研究生在我研究生期间所给予的帮助。 感谢我的家人，感谢他们这么多年来对我无微不至的关怀，感谢他们对 我精神和物质上的支持，感谢他们为我无
24、私奉献的一切。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们 作者：李博 2 0 0 9 年3 月2 1 日 第一章绪论 1 1 优化驱动设计过程 1 1 1产品设计流程的变化 产品设计流程已经从传统的人工反复过程，发展到大量采用C A E 技术对产 品性能进行虚拟测试和校核。但是，现有的C A E 技术并不能在设计自由度最大 的概念设计阶段把产品的所有性能考虑进来，并给出创新设计，因此没有带来 产品设计流程的革命。C A E 技术的最新发展一一结构优化技术已经日渐成熟并 成功地被用于产品的设计，以其天生的优势正在改变现有的设计流程，成为产 品设计的驱动者。 在概念设计阶段优化技术可以把产
25、品所需性能全部考虑进来，在给定的设 计空间下找到最佳的产品设计思路；在虚拟试验阶段发现问题后，优化技术可 以直接给出产品的改进方案，而不仅是对产品进行校核，从而真正帮助设计师 设计出创新可靠的产品。这种全新的产品设计过程就是优化驱动的产品设计过 程O D D P ( O p t i m i z a t i o nD r i v e nD e s i g nP r o c e s s ) 。 传统的产品设计流程是一个人工反复设计的过程。工程师借助C A D 工具 进行产品的设计，接着进行加工制造，然后对产品进行实物试验。如果产品不 能满足功能要求或者失效，就需要对产品设计进行修改，甚至重新设计，
26、如此 反复，直到产品在实物试验中满足全部要求为止。传统的产品设计流程如图1 1 。 这是一个周期长、耗费高的过程，已经完全不能满足现代产品设计的要求。 图1 - 1传统的产品设计流程 随着计算机软硬件技术的发展，各种数值仿真方法，如有限元、多体动力 学、计算流体力学等技术，在产品设计中得到大量应用。产品在完成初始设计 后，可以基于C A D 模型进行产品性能的虚拟试验，初步检验其工作应力、运 动过程、产品寿命等。如果产品不能满足要求，可以立即返回给设计人员进行 修改或重新设计，从而大大缩短实物试验周期和降低费用，如图1 2 所示。 图1 2C A E 技术改进了传统的产品设计流程 1 1 2优
27、化驱动的产品设计过程 当今众多企业广泛使用的C A E 技术存在局限性，表现在于他们仍然仅被用 作在产品设计后期对设计方案的校核。如果在这一阶段发现了问题，设计者已 经没有足够的自由度对结构进行全面的改进，所能做的仅仅是局部的调整并希 望这种调整不会造成别的问题。问题产生的根源在于设计的早期，即拥有大量 设计自由度的概念设计阶段，设计者所能凭借的完全是经验和想象力，很难同 时对产品的所有性能精确地予以考虑，并且往往由于经验所限，不能给出创新 性的设计。最有效的C A E 技术似乎从来无法在这个阶段帮助设计者。 现在，C A E 技术中的一个非常重要的组成部分一一结构优化技术已经发展 成熟并成功
28、地被用于产品设计，它以天生的优势在改变传统的产品设计流程。 在概念设计阶段，优化技术可以对产品所需的全部性能全不予以考虑，在给定 的设计空间下找到最佳的产品设计思路；在虚拟试验阶段发现问题后，优化技 术可以直接给出产品改进方案，而不仅是对产品进行校核，从而真正帮助设计 工程师设计出创新和可靠的产品。这种全新的产品设计过程，就是优化驱动的 产品设计过程O D D P ( O p t i m i z a t i o nD r i v e nD e s i g nP r o c e s s ) ，如图1 3 所示 C o n c e p tD e s i g n O p t i m i z a t
29、i o n 概念设计优化 D e s i g n ( c J 如) V i r t u a l T e s t ( C A E ) 虚拟试验 优化 O p t i m i z a t i o n B u i l d 制造 鲨仁试验r 一 节省： 时间、费用 图1 - 3优化驱动的产品设计流程 可见，优化驱动的产品设计过程给了产品设计工程师最有效的设计帮助， 在概念设计这个决定8 0 最终成本的关键阶段，在产品改进这个耗时、费力的 重复阶段，提供了革命性的解决方案，从而大大节省时间和费用，提高产品性 能和投放市场的速度。如图1 4 所示。优化驱动的产品设计过程在概念设计 阶段提供概念设计优化，在
30、详细设计阶段提供尺寸和形状优化，极大地改善了 传统产品设计流程中概念设计阶段具有最大设计自由度而只是最少、详细设计 阶段具有丰富的产品知识但设计自由度很小的局面，为创新设计提供了保证。 产品知弘 _ _ _ 一 K 设计lI 由度 r 产品知i I_ _ l _ 一 K 详细设计优 设计II 由度 囊幺设计 详细设计试验详细设计 图1 4优化技术在产品设计过程中的作用 化 1 2结构优化设计概述 传统的结构设计，实际上指的是结构分析，其过程大致是假设一一分析一 2 一校核一一重新设计。重新设计的目的也是要选择一个合理的方案，只属于“分 析 的范畴；且只能凭设计者的经验做很多次重复已通过“校核
31、为满足，是 一个人工反复进行设计的过程。随着C A E 技术中一个非常重要的组成部分一一 结构优化设计发展成熟并成功地应用于产品设计，在概念设计阶段，优化技术 可以把产品所需要性能全部考虑进来，在给定设计空间下找到最佳的产品设计 思路，结构优化设计指的是结构综合，其过程大致是假设一一分析一一搜索一 一最优设计。搜索过程也是修改过程，这种修改是按一定的优化方法设设计方 案达到“最优 的目标，是一种主动的，有规则的搜索过程，并达到预定的“最 优”目标为满足【2 】。优化设计是将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用 最优化数学理论，选用适当的优化方法，并借助计算机求解该数学模型，从而 得出最佳设计
32、方案一种设计方法。 结构优化设计任务，说通俗点就是选择较好的设计方案，并进行设计。从 广义上说，它应该包括选择结构形式，外形尺寸，采用材料，截面形式和尺寸 以及支座设置等等。当然考虑因素越多，就结构本身来说，经济效果越好【3 】。 结构优化设计是近3 0 年来发展起来的一门新技术，它的出现使设计者能从被动 的分析、校核进入主动设计，这是结构设计上的一次飞跃。从已有经验看，与传 统设计相比，用优化设计可以使工程降低造价5 - - 3 0 t 2 1 。优化设计能最合理地 利用材料的性能，使结构内部各单元得到最好的协调，并具有规范所规定的安全 度，同时，它还可以为整体性方案设计进行合理的决策。总之
33、，优化设计是实现设 计的最终目标一一适用、安全和经济的有效途径。 结构优化设计从马克斯威尔( M a x w e l l ，1 9 8 0 ) 理论和米歇尔( M i c h e l l ，l9 0 5 ) 桁架出现起已有1o o 年，从史密特( S c h m i t ) 用数学规划来解决结构优化设计算起 亦有4 0 年历史，特别是过去3 0 年内，在理论、算法和应用方面都取得了长足的 发展。这些发展绝大部分是关于连续变量优化设计的，只有少数是关于离散变量 优化设计的。在连续变量优化设计中，截面( 或尺寸) 优化已成熟：形状优化有一 些论文发表，但尚不成熟：拓扑优化的论文较少，布局优化的论文
34、更少、更不成熟； 类型优化几乎没有。离散变量优化设计发展缓慢，截面( 或尺寸) 优化对稍大规模 的问题尚缺少有效的方法。至于形状优化、拓扑优化和布局优化则少得多，而 且不够成熟1 4 j 。 目前，结构优化设计的应用领域涉及航空航天、船舶、桥梁、汽车、机械、 水利、轻工纺织、能源工业以及军事工业等诸多方面，解决的问题包括减轻结构 重量、降低应力水平、改进结构性能和提高安全寿命等方面1 5 】。 结构优化设计是将优化技术与有限元分析技术结合起来，设计满足给定的 各种要求最佳结构尺寸、形状等的设计手段。因此，结构优化设计在工程设计 中得到了广泛的应用，对工程结构设计具有重要意义。结构优化设计突破了
35、传 统的结构设计范畴，克服了传统设计经验、类比或采用许多假设和简化导出的 3 计算公式进行结构设计再校核的诸多局限。结构优化设计充分利用了计算机技 术、有限元技术和优化技术，可大大缩短设计周期，降低产品材料消耗，提高 产品精度和性能，并将产生明显的经济效益。 与一般优化问题相比，结构优化问题具有变量多、约束多且约束大都为复 杂隐式约束的特点。在结构优化问题中，计算位移和应力约束的结构有限元分 析耗时长，而优化迭代需要多次进行结构有限元分析计算，因此计算效率是结 构优化设计中关注的问题。影响结构优化效率的因素是多方面的，如结构优化 算法的有效性、结构分析、灵敏度分析、约束条件的计算效率等等。一方
36、面， 有效的结构优化算法迭代次数少，可直接减少计算量；另一方面，采用有效的近 似技术，如结构分析的近似、结构性态约束的近似、灵敏度分析的近似等，也 可显著地减少计算量。 在结构优化设计中，适合于优化对象的结构优化算法是关键内容。工程设 计中的结构大多为较大规模、大规模甚至超大规模的组合结构问题。不同类型 单元之间的组合，使得组合结构的性态响应( 如位移、应力、频率等) 与设计变 量之间的关系十分复杂，许多在单一结构情形下十分有效的结构优化算法无法 适用于这些复杂组合结构。另外，在组合结构优化问题中，常常是多种类型的 设计变量混合在一起同时进行优化，从而使问题变得极为复杂。因此，适合于 复杂组合
37、结构的优化算法是结构优化需要解决的关键问题。在已有的结构优化 算法中，目前已有采用数学规划法成功地解决数百个设计变量的组合结构优化 实例。采用优化准则法，可解决问题的设计变量数目与具体问题密切相关。对 一般问题可利用射线步的组合结构，采用优化准则法可解决有数千个设计变量 的问题j 采用混合法也可解决有上千个设计变量的问题。对于简单组合梁，其 设计变量数可高达上百万个的惊人程度。当前优化算法的研究多集中在优化准 则方面，如板壳结构的优化准则、动力结构的优化准则、基因遗传算法等方面。 为了使结构优化软件功能更强大，应针对结构优化问题自身的特点建立结构优 化方法程序库。直接采用通用的非线性规划数学方
38、法库，这种方式无法充分利 用结构优化问题自身的特点，因而无论是在迭代效率还是在收敛性方面均逊于 采用结构优化方法库的方法。采用结构优化方法库的方法，可以对不同的结构 优化问题选择不同的结构优化算法，从而可使计算效率和迭代收敛性得到明显 提高。另外无论在数学规划还是在优化准则算法迭代中，往往需对一些由具体 问题决定的参数进行合理的调整，从而可加速迭代收敛速度或改善迭代稳定性。 因此，采用具有自适应策略的优化算法也是十分必要的，如具有频率约束的大 规模空间刚架重量优化的自适应优化准则、包含自适应能力的调整约束函数的 近似方法以及自适应改变有限元网格的方法。另外，采用人工智能和专家系统 技术的结构优
39、化智能化方法，对结构优化的实用化也具有重要意义。 适合于优化对象的结构灵敏度分析是结构优化设计又一关键内容。现有的 4 有效结构优化算法大多要求使用函数的导数信息，这就需要在结构分析的基础 上利用结构灵敏度分析提供这些导数信息。在结构优化中，结构分析从通用性 考虑一般采用有限元法，一些特殊的问题也可采用边界元法。在早期的结构优 化软件中，大多采用自行开发的结构有限元分析软件，可处理的单元类型、约 束类型、变量类型及结构分析类型均十分有限。自行开发的结构有限元分析软 件一般通用性较差，工作量大且为重复性开发工作。由于现已有大量的优秀商 用有限元软件可供利用，故一般不再自行开发结构有限元分析软件供
40、结构优化 使用。早期商用有限元分析软件由于当时的局限性，并未考虑结构优化的需要， 不具备提供导数信息的灵敏度分析功能，现有商用有限元分析软件已具备了一 定程度的灵敏度分析功能和结构优化功能，但优化功能仍较弱，因此在商用结 构有限元分析软件基础上，开发通用结构灵敏度分析软件及优化软件不仅可能， 而且也十分必要。在商品化有限元分析程序基础上开发灵敏度分析功能，通常 可由两种方式来实现：一是在有限元分析程序内部加入灵敏度分析模块：二是将 分析软件当作一个黑箱来调用，为外部结构灵敏度计算提供信息。前一方法实 施起来较简单，灵敏度计算效率高，但对所采用的有限元分析程序的结构、模 块功能及内部变量含义、文
41、件管理方式等需要知道得十分清楚，后一方法的优 点是不需要分析、消化结构分析软件的内部细节，但实施起来工作量大且效率 低，尤其对复杂结构和非线性结构更是如此。因此，对于以实用化为目标的结 构优化软件，采用在商用有限元分析软件内部开发灵敏度分析系统的方法更合 适。 1 3 结构优化的分类 优化设计是新兴发展起来的一门科学，也是一项新的技术，在工程设计的 各个领域得到了广泛的应用。通常讲的“最优 是指最优值或最佳值( o p t i m u m ) ， 最优值的概念是相对的，它随着科学技术的发展和设计条件的改变而变化。最 优化就是追求最好结果或最优目标，从所有可能方案中选择的最合理的一种方 案。最优
42、化设计是从可能设计中选择最合理的设计，以达到最优目标。搜寻最 优设计的方法就是最优化设计法，这种方法的数学理论就是最优化设计理论。 从构造结构优化设计的模型来描述，结构优化通常划分为：结构尺寸优化 ( 截面优化) 、结构形状优化和结构拓扑优化( 布局优化) ；从优化性能角度，结构 优化设计包括结构可靠性指标的结构优化、材料性能的结构优化、动力学性能 的结构优化和控制结构优化等众多分支。从优化算法方面可以将结构优化方法 分为四大类，即优化准则法、数学规划法、优化准则与数学规划结合的混合法 及近若干年出现的模拟自然界生物生长和进化的优化算法( 如自适应生成法、遗 传算法等) 。 优化方法应用到工程
43、设计中就是“优化设计”，它能使工程设计者从众多的 设计方案中获得较为完善的或最为合适的最优设计方案。所谓最优设计方案， 并不是所有的性能指标都是最优的，因为这些性能指标之间有时是互相矛盾的， 通常在设计中总是存在一个或几个主要目标，而其它性能只要符合要求就可以 了。即在满足一定的约束条件下，追求例如经济性最好，重量最轻，体积最小 或寿命最长等目标。任何一项工程或一个产品的设计，都需要根据设计要求， 合理选择方案，确定各种参数，以期达到最佳的设计目标。如今，结构优化已 经成为力学的一个重要分支，并运步应用到工程结构设计中，它主要研究如何 为工程师提供可靠、高效的方法以改进结构的设计，有很强的应用
44、背景。 拓扑优化：拓扑优化可以采用壳单元或者实体单元来定义空间，并用 H o m o g e n i z m i o n ( 均匀化) 和D e n s i t y ( 密度) 两种方法定义材料的流动规律。拓扑优 化能在工程结构设计的初始阶段为设计者提供一个概念性设计，使结构在布局 上采用最优方案，所以，与截面优化和形状优化相比能取得更大的经济效益， 也更容易被工程设计人员所接受，井已经成为当今结构优化设计研究的一个热 点。拓扑优化技术能在给定的设计空间内寻找最佳的材料分布，拓扑优化可以 为设计人员提供全新的设计和最优化的材料分布方案。拓扑优化基于概念设计 的思想，作为结果的设计空间需要被反馈
45、给设计人员作适当修改。最优的设计 往往比概念设计的方案结构更轻，且性能更佳。经过设计人员修改过的设计方 案可以在经过形状优化和尺寸优化得到更好的方案。如图卜5 所示为摆臂的概 念设计，摆臂的有限元网格包括设计区域和不可设计区域，以单元的密度为设 计变量在满足位移约柬和模型的可加工性的前提下，要求体积的最小化。 丫 Y 图1 5 拓扑优化图例 尺寸优化( s i z eo p t i m i z a t i o n ) ：尺寸优化是一种细节优化设计方法，是设计 人员在概念设计的基础上所进行的设计，设计人员对模型形状有了一定的形状 设计思路后所进行的一种细节设计。他是通过改变结构单元的属性，例如壳
46、单 元厚度、粱单元横截面的属性、弹簧单元的刚度和质量单元的质量等，以达到 一定的设计要求( 如应力、质量、位移等) 。如图1 - 6 所示为导轨接头的尺寸优 化，模型采用壳单元，壳的初始厚度为1 毫米，以壳单元的厚度为设计变量， 在满足位移约束的前提下保证体积最小化，优化后壳的最佳尺寸为1 6 5 0 毫米 和2 6 0 4 毫米。 图1 6 尺寸优化图例 形状优化( S h a p e0 p t i m i z a t i o n ) ：是另一种细节设计的方法，是设计人员对 模型有了一定的设计思路后所进行的一种细节设计。目的是通过改变模型的某 些形状参数( 几何特性的形状) 后达到改变模型的
47、力学性能以满足某些具体的要 求( 如应力、位移等) 。结构形状优化的主要特征是，在给定的结构拓扑前提下， 通过调整结构的边界形状或者内部几何形状，以改善结构特性和节省材料。结 构形状优化从对象上区分，主要有桁架类的杆系结构和块体、板、壳类的连续 体结构。形状优化设计已经取得的研究成果较少。主要有两方面的原因：其一， 由于在形状优化过程中分析模型不断变化，因而必须不断地重新生成有限元网 格并进行自适应分析，有一定的难度；其二，由于形状优化过程中，单元刚度矩 阵、结构性态与设计变量之间的非线性关系，使得形状优化的灵敏度分析计算 量比尺寸优化要大得多，也困难得多。形状优化设计也因此引起了工程界、数
48、学界和力学界的极大兴趣。在形状优化中，优化问题的求解通过修改结构的几 何边界也即修改网格节点的位置以改变结构的彤状，如图所示为导轨接头的形 状优化，该接头由壳单元构成，以接头的形状变量为设计变量，约束接头部位 最大应力小于2 0 0 M P a ，要求质量最小化，优化结果如图1 7 所示。 ， 图1 7 形状优化图倒 形貌优化：是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻找最优化的加强 肋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构重量的同 时能满足强度、频率等要求。与拓扑优化不同的是，形貌优化不删除材料，而 是在可设计域根据节点的扰动生成加强肋。形貌优化为形状优化的高级形式， 其方
49、法与拓扑优化类似，所不同的是拓扑优化用单元密度变量，形貌优化用形 状变量。形貌优化用形状变量。形貌优化的设计区域首先被分成大量独立的变 量，然后进行一系列的迭代优化，计算这些变量对结构的影响”。如图所示 为L 型支架的形貌优化，支架结构采用壳单元模拟，目标是通过增设加强肋使 该结构的阶模态频率最大化，优化结果如图1 8 所示。 图1 - 8 形貌优化图例 1 4 机械结构优化设计的现状与展望 优化设计这一现代设计方法是六十年代随着电子计算机的广泛使用而迅速 发展起来的一门新的学科。优化设计能为工程及产品设计提供一种重要的科学 设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻得尽可能完 善的设计方案，并能大大提高设计质量和设计效率。目前优化方法在航空、造 船、国防、机械、电子、电器、交通、建筑、纺织、冶金、石油、化工及管理 等设计领域等都得到了广泛的应用，而且取得了显著的技术、经济效果。 所谓优化设计就是在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转 为最优化问题，然后运用最优化理论和方法，在电子计算机上进行自动调优计 算，从满足各种设计要求及限制条件的全部可行方案中，选定出最优设计方案。 就最优化的理论和方法而言，继古典的微分法和变分法之后，出现有数学规划 优化法、准则优化法、混合法及利用遗传算法、人工神经网络的优化方