基于改进lhd和svr参数优化方法的产品结构优化设计

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1、华中科技大学硕士学位论文（2）近似模型。近似模型（approximatemodel）也称为元模型（metamodeling）、代理模型（surrogatemodel），能够描述在付出很小计算成本的前提下，准确描述出具体的工程问题或系统。在为工程系统建立代理模型时，例如在机械产品设计过程中需要用到的一些计算机仿真模拟实验，需要经过以下两个步骤：首先，分析具体的工程问题的特点，确定所要建立的代理模型的输入、输出变量以及输入变量的取值范围；然后，运用得到的样本数据，建立代理模型。随着现代机械设计方法的不断前进，以及计算机和有限元理论的不断发展、

2、有限元分析已经越来越多的运用于机械产品的设计当中，成为分析机械产品的静力学性能、振动特性、热响应、流体力学、多物理场耦合相应等工程系统分析的一种重要手段。相比差分法、利兹法（Ritz）、加权残值法，有限元法使用有限个单元的集合近似代替原始的连续求解域。有限元分析的基础，就是相互作用的表示连续域的离散单元，也就是有限元，能够将的离散系统或连续系统问题转化为比较简单的问题，并且借助矩阵来表示，把所有单元的刚度方程组合成整体的刚度方程，引入边界条件求解该方程[2]组，从而得到问题的解。这个解并不是原工程系统的准确解，而是近似解。一般来说，许多实

3、际工程问题很难得到准确解，利用有限元分析方法可以得到计算精度高的近似解，并且由于有限元的运用，使得有限元分析方法能够运用于形状的机械模型，成为行之有效的分析手段。针对机械产品进行的结构优化设计，是将CAD、CAE技术和数值计算方法引入到新产品的设计当中，使得机械产品在实际生产之初便能够对产品的性能进行分析，在确保其满足装配、工艺等各项需求的同时，对机械产品的结构进行优化，以提高其系统性能。这种方法的运用，使得模块化设计、系列化设计以及分类与库管理方法应用于产品的设计开发中来，相比于传统设计方法的反馈设计，大大缩减了产品的设计周期，降低产品

4、的开发成本，加快了产品的更新速度，使产品能够适应现代社会对产品的诸如快速化、高效化、个性化等各类需求。2华中科技大学硕士学位论文1.2结构优化设计现状分析结构优化设计是优化设计其中的一种，是工程结构在满足约束条件下按预定目标[3]求出最优方案的设计方法。目前针对结构优化设计的研究主要集中在以下几个方面[4]：（1）机械结构优化设计的思想和理论；（2）优化方法；（3）建模技术；（4）结构分析技术；（5）结构重分析技术；（6）敏度分析技术；（7）软件开发技术。其中结构优化设计的理论和思想、优化方法、建模技术着重于对结构优化设计提供相对应的理论

5、分析基础；结构分析技术、结构重分析技术以及敏度分析技术为结构优化设计的分析方法提供参考；而软件开发技术则着重于为结构优化设计提供相应设计软件支持。随着对结构优化设计研究的不断深入，新的方法和分析技术不断出现，结构优化设计方法也不单单局限于单一学科单一理论。多学科设计优化（MDO）方法的研究与发展，使得传统的结构设计优化呈现出更广阔的领域以及更开阔的视野，同时也加速了结构设计优化的发展，为其增添了新动力。[5]按照不同的分类方式，结构优化设计可以细分为以下两类：（1）按设计变量的类型。此时结构优化设计可以分为：连续变量优化设计和离散变量优化

6、设计。其中离散变量优化设计主要针对于设计变量的取值并非某一区间内的[6]连续值，而是一些符合某种条件的离散值。例如在机械产品中含有标准件的尺寸设计时，其尺寸大小是一些符合标准尺寸的离散值。此时在设计时必须运用离散变量优化设计，才能够正确的得出该机械产品的优化设计解。国内外对于连续变量优化设计研究较早，相关文献较丰富。目前研究方向集中于离散变量优化设计。3华中科技大学硕士学位论文（2）按设计内容的类型。此时结构优化设计可以分为：尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。尺寸优化的优化目标是改变给定结构的尺寸，而不改变给定结构的类型、材料、布局

7、以及几何外形来进行优化设计。形状优化和形貌优化相较于尺寸优化则有一定的设计自由度，它们能够改变结构的几何外形，但是较容易混淆，举一个简单的例子来说明：（a）形状优化（b）形貌优化图1.1形状优化与形貌优化从图1.1中可以看出，形状优化改变的是凸台与底板之间倒角：由半径为5cm的圆倒角，变为45°斜倒角，而不改变凸台在底板上的分布。形貌优化改变了凸台在底板上的分布，来提高整个结构的刚度等机械性能。而拓扑优化相较其他三种优化设计则具有最大的设计自由度，因而拥有更大的设计空间。由于拓扑优化完全不受给定结构的外形、布局等约束，因而被广泛应用于以减

8、重为优化目标的结构优化设计当中，可以大幅度降低给定结构的质量，为设计者提供概念性设计。目前结构优化设计在国内已经有数十年的发展，在优化设计理论、方法以及软件[789]技术上，已经有了一定的积累