机械结构优化设计研究应用及前景展望

《机械结构优化设计研究应用及前景展望》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、机械结构优化设计研究应用及前景展望摘要：对机械结构的优化设计问题进行分析展望，能够促进机械结构的完整科学，促进机械工业的发展和在工程中的运用。基于此，本文对机械结构优化设计的问题进行了具体分析。关键词：机械结构；结构优化；优化设计中图分类号：C35文献标识码：A一、机械结构动态优化设计的应用概况在机械结构动态优化设计理论中，其根本思想是按照产品功能的要求来对产品结构进行设计，或者根据机械结构需要改进的部分进行动力学建模，并做动态性分析，然后根据产品在动态性上的要求或预定的动态设计目标，进行结构的修改、再设计，以满足机械结构在动

2、态性上的设计要求。目前，机械结构动态优化设计已经在我国的机械行业中被广泛应用，其在汽车、航空航天、船舶行业、建筑机械等行业中均取得了重大的成果。在汽车行业中，随着社会的发展和人们需求的更新，汽车行业已经实现了客车车身轻量化的优化设计、汽车车身形态仿生的优化设计、汽车车身安全性的优化设计以及面向行人下肢碰撞保护的优化设计等目标。在航空航天行业，其作为国家科学技术综合水平和实力的体现，机械结构动态优化设计在航空航天行业得到了高度的重视，并应用到航空航天技术中每一产品的设计上。在船舶行业，我国经过自主创新研究，对潜艇外部液压舱、油船

3、剖面、潜艇结构等方面的优化设计进行了研究，旨在提高船舶行业各研究对象的性能。与此同时，结构动态优化设计在高速公路沥青混凝土路面结构、液压缩管机模具、双层组合套管、基床结构等很多方面的优化设计上也发挥着重要的作用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。二、优化策略与流程1.优化策略结构进行优化设计根据设计变量的类型和求解难易程度，可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次，每个层次对应不同的设计阶段。为了实现结构设计自动化，对产品进行优化设计时:首先，根据产品功能要求建立优化目标函数，将刚度、强度等约束条件参数化，利用拓扑优化方法计

4、算冗余材料所在单元（即要杀死的单元），并进行冗余材料边界单元和节点的遍历搜索，结合实际生产资源情况建立边界关键点，对原模型进行参数化变形设计，得到拓扑优化后的模型；然后，根据结构力学特性要求对其进行边界形状优化和尺寸参数的优化，并通过参数化驱动实现模型的更新，最终得到满足刚、强度要求的CAD模型。2.三级优化流程在参数优化三级优化设计过程中，拓扑优化阶段主要通过变密度法求解密度较小的单元，自动生成拓扑优化后的概念模型。形状优化阶段首先针对前期优化结果模型进行微小单元的去除，充分利用曲线拟合技术构建密度较小的冗余单元边界关键点组

5、成的轮廓，并根据零部件生产资源情况进行边界形状的修正，通过参数化变形设计技术对原模型进行布尔减操作，得到拓扑优化后的CAD模型，将其导入CAE系统，然后通过形状优化的数学模型寻找结构的最佳边界形状或者内部几何形状，以改善其力学特性。尺寸优化阶段根据结构的受力情况确定设计变量及其变化范围，建立目标函数，然后通过遗传算法迭代求解较优的参数方案，从中选取最优方案参数来驱动模型，生成优化结果模型。方法流程如图1所示。三、机械结构优化分析1.机械结构的拓扑优化过去一般机械结构优化设计主要集中在结构参数的优化和设计，而对于机械零部件的拓扑

6、结构很少涉及。但是，随着人们对机械产品设计创新意识的提高，特别是机械产品概念设计的提出和应用，人们对结构优化设计提出了更高的要求一一机械产品的结构拓扑优化设计。1985年，M.P.Bendsoe和N.Kikuchi将均匀化方法应用于连续体的结构拓扑优化，推动了连续体结构的拓扑优化发展。同时，连续体结构的拓扑优化已经从平面问题扩展到板壳和三维连续体问题。另外，一些新的方法，如生物生长模拟法、密度法、泡泡法等，被提出并得到应用。目前，结构拓扑优化方法也已被工业界所接受，例如Ford公司等正在加快研究步伐，推出了一些应用的实例。机械

7、结构拓扑优化将把结构优化推到一个新的、更高的产品设计层次。2•机械结构的形状优化在机械零部件中，连续体结构非常多，形状比较复杂，结构分析存在一定的难度，而结构形状对机械零部件的性能影响很大。因此，机械零部件的结构形状优化可以大大提高其性能。20世纪80年代开始，机械行业开始兴起结构形状优化的研究，Haftka、Ding和Hassani进行了综述，国内外出现了许多该方面的研究成果，伊莉、钱惠林、林桥等研究了压力容器部分的结构形状优化设计；陈汝训、张东旭等研究了航空器部分零部件的结构形状优化；Schwarz研究了对应于弹塑性结构响

8、应的拓扑与形状优化；等等。灵敏度分析是结构形状优化的关键之一，程耿东和Haftka同时提出了半解析法，并被普遍采用。机械结构的形状优化也是提高零部件机械性能的重要方法之一。3•智能优化算法和仿生优化算法优化算法的研究一直是优化设计的重要研究领域，特别是机械结构优化设计中一般零