基于有限元分析的结构优化设计方法的研究

第35卷?第9期?2013-09(下)?【123】

基于有限元分析的结构优化设计方法的研究

The research of a structure optimization design method based on FEA

李曼丽，杨志兵

LI Man-li，YANG Zhi-bing

（北京理工大学 机械与车辆学院工业工程研究所，北京 100081）

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FE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FE模型?中图分类号：TH122;TP391.7 文献标识码：A?文章编号：1009-0134(2013)09(下)-0123-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.09(下).37

收稿日期：2013-05-21

作者简介：李曼丽（1990 -），女，河南周口人，硕士，研究方向为CAD/CAE。

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[1] 。

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一些研究[2]，验证了有限元分析（FEA）在分析产品结构性能时所体现的重要意义的意义。FEA是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DFX技术的发展，FEA已成为设计过程中的关键步骤。最初FEA只是用来在设计最后验证设计的合理性，现在已经应用到设计整个过程，尤其是在上游设计阶段[3]。

然而，传统用于结构优化的FEA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FEA的进一步的研究目前引起了学术界的注意。Qiao 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[4]。通过总结前人的研究成果，其中一些研究也提出了参数建模方法，可以有效减少设计时间，并提高设计质量。Liu Z.C.等同归对VC+ +和ANSYS的APDL语言进行结合开发，完成了YJ32液压机下梁

的有限元优化设计[5]。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。

1 基于FEA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，设计者可以考虑采用加强筋或加强套，或者改变关键尺寸来提高产品的强度。通常情况下，有加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。强度分析被广泛用于获得特定负载条件下的结构的最佳强度/重量比。

Zhang B.等利用FEA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[6]。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，并且影响的程度不同。因此，可以通过单参数分析方法找出相对重要的影响参数。在固定其他参数