基于有限元分析的结构优化设计方法的研究
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一
的有 限元 优化 设计 。基 于有 限元 分析 和参 数 化建
模这 两 个 基 本 理 论 ，本 文 提 出 了一种 结构 优 化 设 计 方法 ，可 以帮 助 设 计 者 短 时 间 内 找 出 产 品 的最 优设 计 ，最 后 以 电焊 钳 钳 臂 为 例 验证 该 方法 的有
效性 。
了参 数 建 模 方 法 ，可 以有 效 减 少设 计 时 间 ，并 提
高 设计 质量 。Ｌ ｉ ｕ Ｚ ． Ｃ． 等 同归对ＶＣ ＋＋ 和ＡＮＳ ＹＳ 的 Ａ Ｐ ＤＬ 语 言进 行结 合开 发 ，完 成 了ＹＪ ３ ２ 液 压机 下梁
些研 究 口 ，验 证 了有 限 元分 析 （ Ｆ Ｅ Ａ）在 分析 产
虑 采 用加 强 筋 或加 强套 ，或 者 改 变 关 键 尺 寸 来提
品 结构 性 能 时 所体 现 的重 要 意义 的 意义 。Ｆ Ｅ Ａ是
高 产 品 的 强度 。通 常 情 况 下 ，有 ห้องสมุดไป่ตู้ 强 筋 的钳 臂可 以 承 受 更大 的 负载 ，直 径尺 寸大 一 些 的使 用 寿 命
现 在 已 经 应 用 到设 计 整个 过 程 ，尤 其 是 在 上 游 设
泛 用 于获 得 特 定 负载 条 件 下 的结 构 的 最佳 强 度／ 重
量比。
计 阶段 。 然 而 ，传 统 用 于 结 构 优 化 的Ｆ Ｅ Ａ技 术 需 要 花
费 大 量 的 时 间 ，不 能 满 足快 速 响 应 的需 求 ， 因 此 关于Ｆ Ｅ Ａ的进 一 步 的研 究 目前 引起 了 学术 界 的注
意 。Ｑ ｉ ａ ｏ Ｌ ． Ｈ． 等提 出 了一 种基 于工 程 仿 真 的 混合 优 化设 计方 法 ，并 以钳 臂 为例 进 行验 证该 方 法 。 通 过 总 结 前 人 的 研 究 成 果 ，其 中一 些研 究 也提 出
法 ：单 参数 分析 和 多参数 分析 。 １ ）单 参数 分析 产 品 结构 的 很 多 参数 都 会影 响 结构 性 能 ，并
较 长 ，但 同时 重 量 也 增 大 ， 因 此设 计 者 要 对 强 度 和 重 量 进 行 权 衡 ，找 到最 优 设 计 。强 度 分 析 被 广
对 已 知工 作 载 荷 和边 界 条 件 下 的结 构 强 度 计 算 的 最 强 大 的一 门技 术 。随 着 并 行 工 程 以 及ＤＦ Ｘ技 术 的 发 展 ，Ｆ ＥＡ已成 为 设 计 过 程 中的 关 键 步 骤 。最 初Ｆ Ｅ Ａ只是 用 来 在 设 计 最 后 验 证 设 计 的 合 理 性 ，
Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｂ ． 等利 用Ｆ Ｅ Ａ技 术 ，通 过参数 研 究方 法 分 析 内燃 机 的气缸 盖直 径这一 关键参 数 ，验证 了气
缸盖 的结构设计 中存在一个理想的参数匹配点 。参
数 和最 大 应 力 之 间 的匹 配 关 系 有 助 于 产 品设 计 。
本 文从 两 个 方 面 阐述 了一 种 新 的 结 构优 化 设 计 方
（ 北京理工大学 机械与车辆学院工业工程研究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ） 摘 要 ：提 出一种新的结合有限元分析和参数化建模 的结 构优化设计方法 ，并利用单参数分析和多参数 分析进 行阐述 。在该方法中 ，首先建立产 品的参数化 Ｆ Ｅ 模型 ，实现 修改参数后 自动更新产品 模 型并进行 计算 ；其次 利用二次 开发设计 用户界面 ，通过单参 数分析评 价各参数对产 品结构 性 能的影 响程度 ，通过 多参数分 析在修 改两个参数 的条件下 ，基于权衡 研究找出产 品结构最
务Ｉ 匐 化
基于有限元分析的结构优化设计方法 的研究
Ｔｈｅ ｒ ｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｆ ａ ｓ ｔ ｒ ｕｃｔ ｕｒ ｅ ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａｔ ｉ ｏｎ ｄｅ ｓｉ ｇｎ ｍｅ ｔ ｈｏｄ ｂａｓ ｅｄ ｏｎ ＦＥＡ
李 曼 丽 ，杨志兵
Ｌ Ｉ Ｍａ ｎ ． ¨ ．ＹＡＮＧ Ｚｈ ｉ — ｂ ｉ ｎ ｇ
１ 基 于Ｆ Ｅ Ａ 的强度分析
强 度 是 产 品 设 计 过程 中 最基 本 的设 计 要 求 ， 为 了测 试 产 品 是 否能 够 承 受 工 作 载 荷 ，需 要 进行
有 限 元 分析 得 到最 大 应 力 和 最 大 位 移 ， 并 与 产 品 所 用 的 材料 性 能 进行 比较 。 另外 ，设 计 者 可 以考
Ｏ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． Ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ９ （ 下） ． ３ ７
０ 引言
如 今 ，竞 争 日趋 激 烈 的环 境 迫 切 需 要 企 业 快
速 开 发 出 高 质 量 的 产 品 ， 为 了 在降 低 成 本 同时 改 善 产 品 的性 能 ，对 产 品进 行 结构 优 化 设 计 是 具 有 实 际 意义 的 。结 构 优化 是 在满 足 最 优 结 构 性 能 时 能 自动 生 成 机 械 零 件设 计 的 一种 方 法 ， 它能 够 在 成 本 较 低 的 情 况 下 满 足设 计 要 求 。最 优 结构 性 能 可能 是产 品的质量 较轻 或者 便 于操作 者使 用 。 在 过 去 的一 段 时 间 内 ，很 多 学者 对 机 械 产 品 如 液 压 挖 掘 机 、飞 机 零 件 等 的 结 构 优 化 设 计 做 了
佳优化方案 ； 最 后提 出一种根 据权 重评价多参数修改条件下的设计方案的思 路。 关键词 ： 结 构优 化设计 ； 有 限元分 析 ； 参 数化Ｆ Ｅ 模型
中图分 类号 ：Ｔ Ｈ １ ２ ２ ； Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ — ０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ （ 下） 一 ０ １ ２ ３ —０ ４
的有 限元 优化 设计 。基 于有 限元 分析 和参 数 化建
模这 两 个 基 本 理 论 ，本 文 提 出 了一种 结构 优 化 设 计 方法 ，可 以帮 助 设 计 者 短 时 间 内 找 出 产 品 的最 优设 计 ，最 后 以 电焊 钳 钳 臂 为 例 验证 该 方法 的有
效性 。
了参 数 建 模 方 法 ，可 以有 效 减 少设 计 时 间 ，并 提
高 设计 质量 。Ｌ ｉ ｕ Ｚ ． Ｃ． 等 同归对ＶＣ ＋＋ 和ＡＮＳ ＹＳ 的 Ａ Ｐ ＤＬ 语 言进 行结 合开 发 ，完 成 了ＹＪ ３ ２ 液 压机 下梁
些研 究 口 ，验 证 了有 限 元分 析 （ Ｆ Ｅ Ａ）在 分析 产
虑 采 用加 强 筋 或加 强套 ，或 者 改 变 关 键 尺 寸 来提
品 结构 性 能 时 所体 现 的重 要 意义 的 意义 。Ｆ Ｅ Ａ是
高 产 品 的 强度 。通 常 情 况 下 ，有 ห้องสมุดไป่ตู้ 强 筋 的钳 臂可 以 承 受 更大 的 负载 ，直 径尺 寸大 一 些 的使 用 寿 命
现 在 已 经 应 用 到设 计 整个 过 程 ，尤 其 是 在 上 游 设
泛 用 于获 得 特 定 负载 条 件 下 的结 构 的 最佳 强 度／ 重
量比。
计 阶段 。 然 而 ，传 统 用 于 结 构 优 化 的Ｆ Ｅ Ａ技 术 需 要 花
费 大 量 的 时 间 ，不 能 满 足快 速 响 应 的需 求 ， 因 此 关于Ｆ Ｅ Ａ的进 一 步 的研 究 目前 引起 了 学术 界 的注
意 。Ｑ ｉ ａ ｏ Ｌ ． Ｈ． 等提 出 了一 种基 于工 程 仿 真 的 混合 优 化设 计方 法 ，并 以钳 臂 为例 进 行验 证该 方 法 。 通 过 总 结 前 人 的 研 究 成 果 ，其 中一 些研 究 也提 出
法 ：单 参数 分析 和 多参数 分析 。 １ ）单 参数 分析 产 品 结构 的 很 多 参数 都 会影 响 结构 性 能 ，并
较 长 ，但 同时 重 量 也 增 大 ， 因 此设 计 者 要 对 强 度 和 重 量 进 行 权 衡 ，找 到最 优 设 计 。强 度 分 析 被 广
对 已 知工 作 载 荷 和边 界 条 件 下 的结 构 强 度 计 算 的 最 强 大 的一 门技 术 。随 着 并 行 工 程 以 及ＤＦ Ｘ技 术 的 发 展 ，Ｆ ＥＡ已成 为 设 计 过 程 中的 关 键 步 骤 。最 初Ｆ Ｅ Ａ只是 用 来 在 设 计 最 后 验 证 设 计 的 合 理 性 ，
Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｂ ． 等利 用Ｆ Ｅ Ａ技 术 ，通 过参数 研 究方 法 分 析 内燃 机 的气缸 盖直 径这一 关键参 数 ，验证 了气
缸盖 的结构设计 中存在一个理想的参数匹配点 。参
数 和最 大 应 力 之 间 的匹 配 关 系 有 助 于 产 品设 计 。
本 文从 两 个 方 面 阐述 了一 种 新 的 结 构优 化 设 计 方
（ 北京理工大学 机械与车辆学院工业工程研究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ） 摘 要 ：提 出一种新的结合有限元分析和参数化建模 的结 构优化设计方法 ，并利用单参数分析和多参数 分析进 行阐述 。在该方法中 ，首先建立产 品的参数化 Ｆ Ｅ 模型 ，实现 修改参数后 自动更新产品 模 型并进行 计算 ；其次 利用二次 开发设计 用户界面 ，通过单参 数分析评 价各参数对产 品结构 性 能的影 响程度 ，通过 多参数分 析在修 改两个参数 的条件下 ，基于权衡 研究找出产 品结构最
务Ｉ 匐 化
基于有限元分析的结构优化设计方法 的研究
Ｔｈｅ ｒ ｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｆ ａ ｓ ｔ ｒ ｕｃｔ ｕｒ ｅ ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａｔ ｉ ｏｎ ｄｅ ｓｉ ｇｎ ｍｅ ｔ ｈｏｄ ｂａｓ ｅｄ ｏｎ ＦＥＡ
李 曼 丽 ，杨志兵
Ｌ Ｉ Ｍａ ｎ ． ¨ ．ＹＡＮＧ Ｚｈ ｉ — ｂ ｉ ｎ ｇ
１ 基 于Ｆ Ｅ Ａ 的强度分析
强 度 是 产 品 设 计 过程 中 最基 本 的设 计 要 求 ， 为 了测 试 产 品 是 否能 够 承 受 工 作 载 荷 ，需 要 进行
有 限 元 分析 得 到最 大 应 力 和 最 大 位 移 ， 并 与 产 品 所 用 的 材料 性 能 进行 比较 。 另外 ，设 计 者 可 以考
Ｏ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． Ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ９ （ 下） ． ３ ７
０ 引言
如 今 ，竞 争 日趋 激 烈 的环 境 迫 切 需 要 企 业 快
速 开 发 出 高 质 量 的 产 品 ， 为 了 在降 低 成 本 同时 改 善 产 品 的性 能 ，对 产 品进 行 结构 优 化 设 计 是 具 有 实 际 意义 的 。结 构 优化 是 在满 足 最 优 结 构 性 能 时 能 自动 生 成 机 械 零 件设 计 的 一种 方 法 ， 它能 够 在 成 本 较 低 的 情 况 下 满 足设 计 要 求 。最 优 结构 性 能 可能 是产 品的质量 较轻 或者 便 于操作 者使 用 。 在 过 去 的一 段 时 间 内 ，很 多 学者 对 机 械 产 品 如 液 压 挖 掘 机 、飞 机 零 件 等 的 结 构 优 化 设 计 做 了
佳优化方案 ； 最 后提 出一种根 据权 重评价多参数修改条件下的设计方案的思 路。 关键词 ： 结 构优 化设计 ； 有 限元分 析 ； 参 数化Ｆ Ｅ 模型
中图分 类号 ：Ｔ Ｈ １ ２ ２ ； Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ — ０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ （ 下） 一 ０ １ ２ ３ —０ ４