机械产品设计中结构整合的运用

1前言

在少数几个待选方案中进行比较分析，寻找最优方案的技术称为优化设计。与传统的机械产品设计相比，它既不需要参考通过估算、经验定义出的同类产品基本结构，与检查各性能指标是否满足设计要求。更不需要人工试凑类比与分析，这样可以大幅度的缩短设计周期。因此，优化设计是现代设计方法的重要内容之一。为了提高产品的竞争力，缩短开发周期，CAE以及优化方法已经频繁的引入到产品的设计，生产的各个环节。特别是综合运用拓扑优化和尺寸优化可以协助设计员在设计全新产品时，即使没有参照物也能设计出满足要求的产品。

2结构优化的方法与分层

由研究对象、约束对象、变量、目标函数与最佳策略的要求不同，我们便可衍生出不同结构的优化方法。根据优化目标的深浅可将优化分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化，三个不同层次的优化方法，它们的难度依次加大，与此同时它们收益也相应的提高。

2.1尺寸优化

原有组件的结构形状与拓扑结构不变的同时，通过分析重组设计变量，进而寻找出最好的性能组合关系的优化方法。

2.2形状优化

保证设计域内拓扑关系不变，从而求得结构的边界，并且用这些边界组成的新结构能达到理想的几何形状，同时能表现出某种性能的最佳状态，这种方法称为形状优化设计。

2.3拓扑优化

连续体结构拓扑优化和离散结构的拓扑优化组成结构拓扑优化。孔洞数目、形状分布的优化，结构边界形状的优化均称为连续体结构拓扑优；确定各给定节点位置的最佳联结关系的优化，称为拓扑优化。

3结构优化设计的过程及一般步骤

3.1目标函数

怎样减小变形和应力是机械设计中的最关心的因素，我们可定义其目标函数为极小化变形或应力。由此可以知道，依据设计中最关注的因素是我们来确定目标函数。

3.2设计变量

设计变量是指参与结构优化设计的所有参数。在工程优化设计时，通常所用的设计变量有表征结构外型的几何参数和物理参数两大类。例如：板的长、宽、高尺寸，圆孔半径、材料的弹性模量、密度、屈服极限、安全系数等。

3.3约束条件

约束条件是指在迭代计算中，优化过程的设计变量要受到某些限制的条件。例如装配位置的限制条件，确保运动可能性的极值条件等，这些条件均可称为约束。

3.4选择优化方法并分析评估

现在解决机械优化设计的方法很多，但一种普遍适用的有效方法却是少之又少。因为机械优化设计解决的主要问题是约束的非线性规划问题，因此必须具体问题具体分析，从中选择优化方法，并对优化计算结果进行分析评估。

4产品设计的优化应用分析

4.1支承结构拓扑优化的应用

在一个原本模糊的形状，底部不动，里面有受力圆孔的支承结构中，拓扑形状分别取不同材料减少率为60%，80%时所形成的模型。在优化过程中连续减重，材料减少率达80%时，能清晰加强筋的脉络。根据结构上的分杈可设计出带有加强筋的新概念模型。根据拓扑优化结果设计支撑结构的变形和应力分布。

4.2拓扑优化分析

当前，优化分析功能是大多数有限元分析软件所具备的。设计变量（DV）、状态变量（SV）和目标函数（OBJ），CAE优化模块均可定义，但它却只能设定一个目标函数，其它需要优化的目标只有通过定义状态变量的方式来实现。定义多个设计变量和状态变量在分析课题中比比皆是，设计变量也称自变量，通过改变设计变量的数值来取得优化结果，设计变量的函数有状态变量和目标函数。

例如结构的长宽高尺寸，筋板厚度等定义为设计变量，结构变形和应力随设计变量的变化而变化，为设计变量的函数，可以定义为状态变量，使结构重量极小化定义为目标函数。设计变量，状态变量和目标函数组成优化变量。这些变量在多数的分析软件中，都是由用户定义的参数来指定。用户必须指出在参数集中的设计变量，状态变量和目标函数。满足所有给定的约束条件（设计变量的约束和状态变量的约束）的设计才能称得上是合理的设计。假如其中任一约束条件不被满足，设计就是不合理的。既满足所有的约束条件又能达到最小目标函数值的设计才能算优设计。

5机械产品设计中结构优化技术的应用

5.1机床横梁的最佳截面设计

桥式高速数控龙门铣床是在国内推出的新一代航空制造装备，其中横梁是很关键的结构，设计水平的好坏直接影响整个设备性能，对于横梁的优化主要从两方面考虑：（1）在不增加重量的前提下，使横梁上的最大变形极小化，提高横梁的静刚度；（2）优化中初阶固有频率不小于设定值，提高横梁的动刚度。

5.2机床横梁的布筋优化

原始横梁是某机械公司采用的结构，如图1所示。优化设计横梁采用了筋格的拓扑优化结果，但筋格由于太复杂，加工制造非常不利，因此从加工方面考虑这种方案采用的可能性不大，如图2所示。

6结语

优化技术与CAE分析技术相结合，使设计人员从繁琐凌乱的凑试工作中解脱出来，特别是近10年来在机械设计领域，随着ANSYS、MARC、ABAQUS等CAE软件的广泛应用，已经可以用现代化的设计方法进行新产品的开发设计，来满足用户提出的各种要求。通过优化设计，使好钢用在刀刃上，降低产品重量，极大的提高产品性能；并能创新设计思路，激发设计创新的热情，使机械制造工业发生深刻变革。