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結構優(yōu)化設計產生于20世紀60年代，特別是在90年代，許多新的概念如遺傳算法、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等被應用到結構優(yōu)化過程中，其中利用有限元分析方法進行優(yōu)化分析是一種自然的選擇。因為它不僅能處理大范圍的結構類型，而且它在可選擇的分析類型中是一種可利用的最通用方法。它不僅只限于結構問題，也能應用到能用偏微分方程表示的任何問題中。有限元分析能夠滿足機械零部件滿應力分布的需要，通過有限元分析，設計人員能夠了解零件中最危險的位置和應力的分布規(guī)律。結構優(yōu)化分為尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，通過對零件結構進行尺寸優(yōu)化，可以改善零件的整體尺寸，與傳統(tǒng)設計方法相比一般可節(jié)省材料7%～40%。形狀優(yōu)化就是通過改變零件的幾何邊界形狀，以改善結構的特性和應力分布狀況。將有限元方法和結構優(yōu)化技術集成，可以實現機械零件在真正意義上的計算機輔助設計，更重要的是可以得到產品的最佳性能價格比。本研究敘述了基于有限元方法的優(yōu)化設計技術的分析過程，介紹了其優(yōu)化模型的建立，并與傳統(tǒng)的優(yōu)化設計方法進行了比較。最后在有限元分析基礎上完成了兩個零件的結構和形狀優(yōu)化。
基于有限元分析的尺寸優(yōu)化與傳統(tǒng)的尺寸優(yōu)化設計過程一樣，是建立在數學規(guī)劃論和計算機程序設計的基礎上，它能使一項設計在滿足給定的條件下尋求一個技術經濟指標最佳的設計方案。設計變量也是選擇對目標函數和約束條件有明顯的函數關系，對它們的影響相對較大且是獨立的設計尺寸，邊界約束一般是對設計變量變化范圍的限制，所追求的目標往往是零部件的體積最小、重量最輕或者是某些影響零件性能的指標。
盡管如此，但兩者在具體運用中卻有許多不同之處。表現在：①性能約束和目標函數是設計變量的隱式、復雜函數關系，是建立在彈性力學、彈塑性力學以及相關的物理學和有限元基本理論的基礎上，②對零部件要建立參數化的有限元分析模型，其中所建有限元分析模型的正確性和有限單元的劃分密度對優(yōu)化分析結果有很大的影響，③要編寫有限元分析程序或利用已有的商業(yè)化有限元軟件對零部件進行有限元分析，以確定相關的狀態(tài)變量和目標函數的值，④能夠確定零件中的最大受力點及其位置，能夠滿足零部件對滿應力分布的需要。
總之，基于有限元方法的優(yōu)化技術，是將有限元分析方法和傳統(tǒng)的優(yōu)化技術相結合，并應用于零部件的結構優(yōu)化設計過程中，使得零部件在滿足給定的性能要求條件下，零部件的尺寸能達到最佳。利用ANSYS有限元軟件完成優(yōu)化設計的流程圖。基于有限元分析的尺寸優(yōu)化數學模型可描述如下：設有n個設計變量X=[x1，x2，…，xn]，在滿足gu(X)和hq(X)的約束條件下，求目標函數f(X)最小。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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