论文部分内容阅读
摘 要：现代机械产品设计，不再局限于产品结构以满足性能，又能满足节省材料的需求，从而控制零件的制造成本。机械部件均采用任何几何形状和传统的机械设计方法只考虑零件几何形状，其形状的形状，特别是考虑到设计的局部形状是不够的，因此这些部件将经常产生应力集中。对于现代设计的问题，同时在设计过程中的形状的优化，必须考虑采用各种方法，机械设计在一个比较合理的和结构稳定的形状的优化，特别是用计算机形状优化，而且在机械设计和完善科学的设计。
关键词：机械设计；产品结构；成本；形状优化
一、形状优化的概述
1.1形状优化的概念
形状优化是指在满足约束条件的边界曲面中求出最佳几何外形，使材料最省或应力水平（一般指边界面上的切向应力）最低。
1.2形状优化的主要方法
形状优化在发展过程中形成了三种主要方法。
（1）准则法
各截面最大应力达到许用应力的满应力准则法：不仅受到压力的制约，也受约移位梁满的问题应变能准则；理性的最优解数学标准作为K—T优化结构的条件应满足的准则。基于设计标准规范，建立了一整套相应的迭代公式的，公式通常包含了一些经验丰富的决策参数，调整这些参数可以加速收敛，公式由修改设计的速度，直至收敛。优点判据是小到所需要的迭代的最佳数量和设计变量的数目，可以解决大规模优化问题；缺点是缺乏的严格的数学基础，没有任何证据收敛的，所得到的解可能不是一个真正的最佳解决方案。
（2）数学规划法
形状优化问题往往归结为成为设计变化的位移，应力等函数的约束的空间量，解决了数学规划问题的目标函数的极值。数学规划算法（如线性规划问题，连续两次这种计划方法，可行方向法，罚函数方法的顺序），可用于形状优化，这使得用严格的数学基础和广阔的适应性爱的形状优化，但由于的形状最优化的目标函数和约束是设计变量的基本上隐函数，并设计变量一般很多，所以该灵敏度分析来计算的大的，重的结构分析许多倍的量，从而导致在解决解决规模的效率较低受到很大的限制。
（3）近似法
近似法问题变成求解近似问题的序列近似优化问题近似解原问题。包括非线性近似，隐含的问题为线性或准线性，设计变量和约束条件删除连接技术的明确的问题，基本假设是，该序列是类似问题收敛到原来的问题的解决方案。如何选择，以提高近似的能力，有效的解决中间变量的约束功能和建立灵敏度的设计模型的精度的中间函数和中间变量，分析模型和优化模型是近似值研究。
1.3结构优化的层次与分类
不同结构的优化方法进行了研究，目标函数，约束对象，从变量和不同的要求优化策略而得。优化目标深度结构优化分为三个不同的层次：尺寸优化，形状优化，拓扑优化，布局优化和选择的结构优化。难度级别，以便在上述以增加，以增加收入。
（一）尺寸优化
在保持组件原有的结构形状与拓扑结构不变的情况下，通过对设计变量的分析重组，寻求最佳的性能组合关系的优化方法。
（二）形状优化
优化是指在拓扑设计畴界结构所得到的设计的形状保持不变，这样的结构组件的这些界限以实现所需的几何形状和用于某些性质的最佳性能。
（三）拓扑优化
拓扑优化包括连续结构拓扑优化和离散结构。连续体结构拓扑优化，包括孔和分布的形状的数量最优化，以及该边界形状优化的结构：离散结构拓扑优化，是位置在给定的节点，以确定最佳的连接关系Ⅲ于每个节点。
二、面向对象设计方法对有限元分析过程的封装
结构有限元分析方法一般可以分为以下步骤：
（1）结构离散化。该结构分为连续单元的数量有限，并且在指定的点单元设置节点，使得相邻小区的参数具有一定的连续性，构成代替原结构中使用的组件单元。由于该离散结构的复杂性，在这个系统中的过程是由输入文件的方式完成在MSC.Patran的软件，然后，将信息读取单元和节点到系统中来。
（2）建设单位刚度矩阵
由分析单元的机械特性，假设一定的位移模式，来自通过几何关系和本构关系应力与节点之间的位移单位，关系然后用变分原理，建立关系部节点力之间的节点位移，根据最小势能产生的能量剛度矩阵单元的原则。
（3）集合所有单元刚度矩阵形成总刚矩阵
此集合过程包括两个方面：①设置刚度矩阵合成整体结构的每个单元刚度矩阵； ②效节点荷载作用于每个单元阵列结构设置节点负载阵列的合成。最常用的方法是直接收集的刚度矩阵刚度矩阵的方法，在按照结构节点条目中的每个元件的元件刚度矩阵“对号入座”，叠加成的结构刚度矩阵。在收集过程中，刚度矩阵，在单元阵列节点负荷都必须相对于参考的整体结构。如果元素刚度矩阵和单元载荷向量相对单元局部坐标必须坐标变换矩阵将它们转换到下一个世界坐标结构。
（4）刚度矩阵的约束处理。由于结构上的限制它没有被始终被刚矩阵是奇异的，不可以倒置。因此，通过对所述整体刚度矩阵的处理中加入边界位移约束，约束的需要，始终消除刚体运动刚一矩阵结构，从而使结构刚度矩阵成一非奇异。一般采用的方法是“置大数法”和“置1法”。
（5）求解约束处理后的结构刚度方程即可求得节点位移列阵。求解方法可以是“高斯消去法”，“三角分解法”，“追赶法”，“波前法”等。上述方法的有限元分析，面向对象技术与最大的困难在于，在复杂的关系包封过程的有限元程序的数据结构，是参与几十矩阵和向量的分析的一个单元，并且这些数据不能被本地化。在常规的有限元程序，这些数据是全局变量形成，所以很容易直接调用其他模块。但这种形式的数据结构是不是面向对象的青睐通过编程思想，它是为节目进一步发展和未来的合作发展是非常不利的。
在面向对象的设计方法，构建有限元程序，我们使用的语言C ++ 和MFC类库的灵活性和丰富的内容的话，面向对象的有限元程序的发展具有以下特点；整体上采用面向对象的程序设计方法有限元程序更清晰的结构和易于理解。而由于面向对象编程有封装，继承和多态的特点，在此基础上的程序更方便的进一步发展。 三、结构多及优化策略
3.1系统层上的优化问题的求解
结构单元网格的重新划分：
在二维弹性结构优化过程的形状，由于形状和节点结构改变，原来的分区该网格也必须改变。因此，如何重新划分的网格，它关系到优化过程和整个系统可继续进行精度和效率的水平。
在优化过程中，设计变量的控制结构形状，以便使结构最佳改变。设计变更变化的结构的形状的量将导致一个相应的变化时，单元和节点也将被改变，并且因此应力状态单位也将发生变化。因此，需要调整节点结构的位置，重画的结构单元。
设计灵敏度分析的优化是计算变化率响应于结构设计变量，由于这些偏导数优化过程中提供的设计优化了必要的梯度信息始终计算这些偏导数。我们在优化过程中，仅在梯度方向的每个优化形状设计准确的分析，可以快速、准确地向最用最少的优点实现对形状。
结构优化设计一般是基于信息优化方法的灵敏度计算的目标函数和约束功能衍生物设计变量，其效率在很大程度上取决于灵敏度分析的计算的效率和准确性，特别是大型结构设计问题，优化设计敏感性分析是特别重要的。
3.2分布层上的优化问题的求解
分布层使用尺寸优化技术：设计的结构的可变分布层的厚度，只需要连接，以减少设计变量的变量的数目，其它的不需要任何特殊的處理。
最优选择算法：系统级优化算法的选择，因为在分配层面仍然使用iSight摄像头软件，以提供近似的方法和优化算法。基于可行方向为优化算法的形状优化阶段改进的方法上。泰勒级数近似方法一般用在最近的模型相似或相互混合近似。
四、结论
总而言之，机械产品的尺寸，形状和优化的创新设计拓扑中的各部分之间的产品的装配关系的组合物的基本结构是一个先决条件，结构优化问题是改进的余地或结构元件的进一步发展。通常情况下，这些结构元件是不明确的设计，隐藏在一个复杂的形状，颜色和形态间的开始仅通过变化的市场需求，许多用户期望和优点以及类似深度分析现有产品的缺点，以便识别优化的价值的最有创意的元素结构。■
参考文献
[1] 郭中泽，张卫红，陈裕泽. 结构拓扑优化设计综述[J]. 机械设计，2007年08期.
[2] 朱茂桃，邹小龙，樊逸斌. 客车车架结构改进方案分析[J]. 农业机械学报，2006年05期.
[3] 龙凯，左正兴，肖涛. 连续体拓扑优化中的过滤算法研究[J]. 中国机械工程，2007年10期.
关键词：机械设计；产品结构；成本；形状优化
一、形状优化的概述
1.1形状优化的概念
形状优化是指在满足约束条件的边界曲面中求出最佳几何外形，使材料最省或应力水平（一般指边界面上的切向应力）最低。
1.2形状优化的主要方法
形状优化在发展过程中形成了三种主要方法。
（1）准则法
各截面最大应力达到许用应力的满应力准则法：不仅受到压力的制约，也受约移位梁满的问题应变能准则；理性的最优解数学标准作为K—T优化结构的条件应满足的准则。基于设计标准规范，建立了一整套相应的迭代公式的，公式通常包含了一些经验丰富的决策参数，调整这些参数可以加速收敛，公式由修改设计的速度，直至收敛。优点判据是小到所需要的迭代的最佳数量和设计变量的数目，可以解决大规模优化问题；缺点是缺乏的严格的数学基础，没有任何证据收敛的，所得到的解可能不是一个真正的最佳解决方案。
（2）数学规划法
形状优化问题往往归结为成为设计变化的位移，应力等函数的约束的空间量，解决了数学规划问题的目标函数的极值。数学规划算法（如线性规划问题，连续两次这种计划方法，可行方向法，罚函数方法的顺序），可用于形状优化，这使得用严格的数学基础和广阔的适应性爱的形状优化，但由于的形状最优化的目标函数和约束是设计变量的基本上隐函数，并设计变量一般很多，所以该灵敏度分析来计算的大的，重的结构分析许多倍的量，从而导致在解决解决规模的效率较低受到很大的限制。
（3）近似法
近似法问题变成求解近似问题的序列近似优化问题近似解原问题。包括非线性近似，隐含的问题为线性或准线性，设计变量和约束条件删除连接技术的明确的问题，基本假设是，该序列是类似问题收敛到原来的问题的解决方案。如何选择，以提高近似的能力，有效的解决中间变量的约束功能和建立灵敏度的设计模型的精度的中间函数和中间变量，分析模型和优化模型是近似值研究。
1.3结构优化的层次与分类
不同结构的优化方法进行了研究，目标函数，约束对象，从变量和不同的要求优化策略而得。优化目标深度结构优化分为三个不同的层次：尺寸优化，形状优化，拓扑优化，布局优化和选择的结构优化。难度级别，以便在上述以增加，以增加收入。
（一）尺寸优化
在保持组件原有的结构形状与拓扑结构不变的情况下，通过对设计变量的分析重组，寻求最佳的性能组合关系的优化方法。
（二）形状优化
优化是指在拓扑设计畴界结构所得到的设计的形状保持不变，这样的结构组件的这些界限以实现所需的几何形状和用于某些性质的最佳性能。
（三）拓扑优化
拓扑优化包括连续结构拓扑优化和离散结构。连续体结构拓扑优化，包括孔和分布的形状的数量最优化，以及该边界形状优化的结构：离散结构拓扑优化，是位置在给定的节点，以确定最佳的连接关系Ⅲ于每个节点。
二、面向对象设计方法对有限元分析过程的封装
结构有限元分析方法一般可以分为以下步骤：
（1）结构离散化。该结构分为连续单元的数量有限，并且在指定的点单元设置节点，使得相邻小区的参数具有一定的连续性，构成代替原结构中使用的组件单元。由于该离散结构的复杂性，在这个系统中的过程是由输入文件的方式完成在MSC.Patran的软件，然后，将信息读取单元和节点到系统中来。
（2）建设单位刚度矩阵
由分析单元的机械特性，假设一定的位移模式，来自通过几何关系和本构关系应力与节点之间的位移单位，关系然后用变分原理，建立关系部节点力之间的节点位移，根据最小势能产生的能量剛度矩阵单元的原则。
（3）集合所有单元刚度矩阵形成总刚矩阵
此集合过程包括两个方面：①设置刚度矩阵合成整体结构的每个单元刚度矩阵； ②效节点荷载作用于每个单元阵列结构设置节点负载阵列的合成。最常用的方法是直接收集的刚度矩阵刚度矩阵的方法，在按照结构节点条目中的每个元件的元件刚度矩阵“对号入座”，叠加成的结构刚度矩阵。在收集过程中，刚度矩阵，在单元阵列节点负荷都必须相对于参考的整体结构。如果元素刚度矩阵和单元载荷向量相对单元局部坐标必须坐标变换矩阵将它们转换到下一个世界坐标结构。
（4）刚度矩阵的约束处理。由于结构上的限制它没有被始终被刚矩阵是奇异的，不可以倒置。因此，通过对所述整体刚度矩阵的处理中加入边界位移约束，约束的需要，始终消除刚体运动刚一矩阵结构，从而使结构刚度矩阵成一非奇异。一般采用的方法是“置大数法”和“置1法”。
（5）求解约束处理后的结构刚度方程即可求得节点位移列阵。求解方法可以是“高斯消去法”，“三角分解法”，“追赶法”，“波前法”等。上述方法的有限元分析，面向对象技术与最大的困难在于，在复杂的关系包封过程的有限元程序的数据结构，是参与几十矩阵和向量的分析的一个单元，并且这些数据不能被本地化。在常规的有限元程序，这些数据是全局变量形成，所以很容易直接调用其他模块。但这种形式的数据结构是不是面向对象的青睐通过编程思想，它是为节目进一步发展和未来的合作发展是非常不利的。
在面向对象的设计方法，构建有限元程序，我们使用的语言C ++ 和MFC类库的灵活性和丰富的内容的话，面向对象的有限元程序的发展具有以下特点；整体上采用面向对象的程序设计方法有限元程序更清晰的结构和易于理解。而由于面向对象编程有封装，继承和多态的特点，在此基础上的程序更方便的进一步发展。 三、结构多及优化策略
3.1系统层上的优化问题的求解
结构单元网格的重新划分：
在二维弹性结构优化过程的形状，由于形状和节点结构改变，原来的分区该网格也必须改变。因此，如何重新划分的网格，它关系到优化过程和整个系统可继续进行精度和效率的水平。
在优化过程中，设计变量的控制结构形状，以便使结构最佳改变。设计变更变化的结构的形状的量将导致一个相应的变化时，单元和节点也将被改变，并且因此应力状态单位也将发生变化。因此，需要调整节点结构的位置，重画的结构单元。
设计灵敏度分析的优化是计算变化率响应于结构设计变量，由于这些偏导数优化过程中提供的设计优化了必要的梯度信息始终计算这些偏导数。我们在优化过程中，仅在梯度方向的每个优化形状设计准确的分析，可以快速、准确地向最用最少的优点实现对形状。
结构优化设计一般是基于信息优化方法的灵敏度计算的目标函数和约束功能衍生物设计变量，其效率在很大程度上取决于灵敏度分析的计算的效率和准确性，特别是大型结构设计问题，优化设计敏感性分析是特别重要的。
3.2分布层上的优化问题的求解
分布层使用尺寸优化技术：设计的结构的可变分布层的厚度，只需要连接，以减少设计变量的变量的数目，其它的不需要任何特殊的處理。
最优选择算法：系统级优化算法的选择，因为在分配层面仍然使用iSight摄像头软件，以提供近似的方法和优化算法。基于可行方向为优化算法的形状优化阶段改进的方法上。泰勒级数近似方法一般用在最近的模型相似或相互混合近似。
四、结论
总而言之，机械产品的尺寸，形状和优化的创新设计拓扑中的各部分之间的产品的装配关系的组合物的基本结构是一个先决条件，结构优化问题是改进的余地或结构元件的进一步发展。通常情况下，这些结构元件是不明确的设计，隐藏在一个复杂的形状，颜色和形态间的开始仅通过变化的市场需求，许多用户期望和优点以及类似深度分析现有产品的缺点，以便识别优化的价值的最有创意的元素结构。■
参考文献
[1] 郭中泽，张卫红，陈裕泽. 结构拓扑优化设计综述[J]. 机械设计，2007年08期.
[2] 朱茂桃，邹小龙，樊逸斌. 客车车架结构改进方案分析[J]. 农业机械学报，2006年05期.
[3] 龙凯，左正兴，肖涛. 连续体拓扑优化中的过滤算法研究[J]. 中国机械工程，2007年10期.