芮强optistruct结构优化方法及其在车体结构轻量化设计上的应用-修改

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1、OptiStruct结构优化方法及其在车体结构轻量化设计上的应用芮强王红岩方剑（装甲兵工程学院机械工程系，北京100072）摘要:在综述了结构优化设计方法及其在车辆结构设计中的应用现状基础上，将OptiStruct软件强大的结构优化功能应用于车体结构的轻量化设计，针对车体的复杂承载结构特点，分为概念优化设计、局部优化设计及详细优化设计3个阶段，采用了承载结构拓扑优化、表面板壳结构形貌优化及局部的形状及尺寸优化等优化设计手段对车体进行了结构优化设计，为相同类型结构部件的结构优化及轻量化设计提供了设计思路。关键词:车体结构，结构优化设计，轻量化，

2、OptiStructStructureOptimizationMethodsofOptiStructanditsApplicationonLightweightDesignofVehicleBody(DepartmentofMechanicalEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)Abstract:Firstly,structureoptimizationmethodsanditsapplicationstatusonstructuredesignof

3、vehiclecomponentsaresummarized.Then,thestructureoptimizationdesignsoftware-OptiStructisappliedonlightweightdesignofvehiclebody.Accordingtocomplicatedstructuralcharacteristicsofvehiclebodies,thelightweightdesignofvehiclebodyisdividedintothreestages,namelyconceptualoptimizati

4、ondesign,localoptimizationdesignandparticularoptimizationdesign.Themethodsoftopologyoptimization,topographyoptimization,shapeandsizeoptimizationareappliedsyntheticallyontheframeworksandsurfaceshellsofvehiclebody.Atlast,theresearchbringsforwardaneffectiveapproachforlightweig

5、htdesignofsimilartypesofstructures.Keywords:VehicleBody,StructureOptimizationDesign,LightweightDesign,OptiStruct1引言车体结构轻量化的途径主要有两种，一种是从新材料入手，广泛采用轻金属或现代复合材料等低密度材料作为原料，以达到减重的目的；二是从优化设计入手，对现有钢结构进行优化设计，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。前者轻量化效果明显，减重幅度比较大，但存在研发成本高、工艺复杂等问题；后者成本低、容易实现，如果方法得当，也能

6、得到良好的轻量化效果。车体结构轻量化的目的是在不改变材料且不牺牲任何刚强度特性及动态特性的前提下实现车体结构质量的最小化。2结构优化设计方法概述2.1结构优化类型按照设计变量类型和优化层次，结构优化可以分为截面尺寸优化、形状优化和拓扑优化[1]-5-。从其发展的历程而言，优化技术也是按照这个顺序由低向高进化的。结构优化设计的早期研究主要集中于截面尺寸优化问题。例如，寻找一个桁架单元最佳的横截面尺寸，或者一个平板结构的最佳厚度。截面尺寸优化是结构优化设计中最早开展研究的领域也是发展相对成熟的领域，它以截面尺寸为设计变量，通过寻求最优截面尺寸达到

7、减小结构质重的目的。约束条件可以是应力约束、位移约束、局部稳定、频率约束、动响应约束等。随着结构优化技术的进一步发展，人们开始考虑寻找结构的最优边界问题。形状优化是通过调整结构内外边界形状来改善结构性能和达到节省材料的目的。结构形状优化从对象上区分，主要有杆系结构和连续体结构。它的特点是设计区域的形状可以变化，但是设计区域内的拓扑关系在形状优化过程中是固定不变的。这就要求在设计的初始阶段确定结构的最优拓扑形式，但是在没有任何先验知识的条件下，这往往很难做到。即使得到了最优的拓扑关系，在形状优化过程中还需要几次重新划分有限元网格，若要在设计过程

8、中改变结构拓扑，则将使设计问题更加复杂。形状优化问题可以被看作是在设计初始阶段开始执行优化计算的。拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式，或在设计空