结构优化技术在产品设计创新中的应用

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1、结构优化技术在产品设计创新中的应用ApplicationofStructureOptimizationTechnologyinInnovationDesignofProduct北京航空制造工程研究所王海涛李初晔马岩【摘要】优化设计能较好地把现代设计理论和经过长期实践验证的设计内容结合起来，在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的性能指标达到需要的期望值。综合应用拓扑方法和尺寸优化对于结构的创新设计是非常关键的，有利于发挥设计员的创新能力，同时可以提高产品的市场

2、竞争力，甚至能复演产品的设计过程。关键词：优化设计拓扑尺寸优化创新IABSTRACTlOptimizationdesigncouldcombinethemoderndesigntheorywiththedesignworkwhichistestedbylongpractice．Ontheconditionofensuringtheproductsreachingsomeperformancetargetandfillingthestatedconditionofrestriction，andviachanging

3、somedesignvariableswhichcanbeallowedtochange，theper-formanceandguidelineoftheproductioncouldachievetheexpectedvalueoftheneeds．Itisveryimportanttocomprehensivelyapplytopologymethodanddimensionoptimizationininnovationdesignoftheproductstructure，anditCanbepropit

4、ioustoexerttheinnovationabilityofthedesigner,atthesametime，itshouldbeenhancethemarketcompetitionabilityofmanufactures，SOmuchasre-actingthedesignprocessoftheproducts．Keywords：OptimizationdesignTopologySizeoptimizationInnovation优化设计是一种搜寻最优设计方案的技术，是现代设计方法的重要内容之一

5、。传统设计一般参照同类产品通过估算、经验类比甚至做试验的办法定义出产品的基本结构，通过计算检查各性能是否满足设计指标要求。这是一个人工试凑与类比分析的过程，不仅需要花费较多的时间，而且只限于在少数几个候选方案中进行分析比较【ll。CAE及优化方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入了产品的设计与生产的各个环节，以提高产品的竞争能力瞄J。特别是在全新产品设计过程中，由于一般没有参照物供参考，综合运用拓扑优化和尺寸优化技术可以帮助设计员快速设计出满足技术要求的产品吲。1拓扑优化和尺寸优化的概念拓扑优化

6、是根据设定的目标通过一定的算法不断剔除小应力区域的材料，在预先给定的设计空间中确定最优的材料分布，设计出最优的零件几何、框架结构或者加强筋的布局。因此通过拓扑优化不但能产生结构的外形轮廓，而且可以得到最佳的加强筋概念模型，这对于全新结构的设计是非常关键的，有利于发挥设计员的创新能力，提高产品的市场竞争力【4’5】。尺寸优化是在零件外形已确定的基础上，设计最佳的壁厚以及截面尺寸参数，降低设计重量，提高产品的机械性能16J。图1为一支撑结构的初始模糊形状，底部固定，内有受力圆孑L。图2是分别设定材料减少率55％和80

7、％时构件的拓扑形状，在不断减重的优化过程中，通过分析结构上的分权提出带有加强筋的新概念模型设计。当材料减少率达80％时，加强筋的脉络已非常清晰。图1支撑结构的初始模糊形状Fig．1Initialblurredshapeofsupportstructure对于已定型产品的设计，零件的外轮廓是预先已知的，这类产品的优化问题是采用尺寸优化的方法使2010年第22期·航空制造技术69塑盟墅丝mm蛙s一一!!z!．目2{目目##’$目#}}R*∞#目*#Fig2Pmfileoftopologyoptimizalionund

8、erdifferentmaterIaucedr舶结构型为台理．以达到减币的目的．对j二全新产品设计，首先要根据产品使用目的、裁苘及约束J二M定义零件的尺度空IbJ．采用拓扑优化确定最佳的外轮廓，根据外轮群慢计零件概念模型然后采用尺-J优化方法确定醴合理的外掣尺，J和厚度”。，2拓扑优化和尺寸优化在产品设计中的应用如图3所示，设计个支撑曲戟荷的粱，长度L-3000⋯．宽度口