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基于有限元分析的结构优化设计方法的研究
TheresearchofastructureoptimizationdesignmethodbasedonFEA
李曼丽，杨志兵
LIMan-li，YANGZhi-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)-0123-04
Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.09(下).37
0引言的有限元优化设计[5]。基于有限元分析和参数化建
如今，竞争日趋激烈的环境迫切需要企业快模这两个基本理论，本文提出了一种结构优化设
速开发出高质量的产品，为了在降低成本同时改计方法，可以帮助设计者短时间内找出产品的最
善产品的性能，对产品进行结构优化设计是具有优设计，最后以电焊钳钳臂为例验证该方法的有
实际意义的。结构优化是在满足最优结构性能时效性。
能自动生成机械零件设计的一种方法，它能够在1基于FEA的强度分析
成本较低的情况下满足设计要求。最优结构性能强度是产品设计过程中最基本的设计要求，
[1]
可能是产品的质量较轻或者便于操作者使用。为了测试产品是否能够承受工作载荷，需要进行
在过去的一段时间内，很多学者对机械产品有限元分析得到最大应力和最大位移，并与产品
如液压挖掘机、飞机零件等的结构优化设计做了所用的材料性能进行比较。另外，设计者可以考
[2]
一些研究，验证了有限元分析（FEA）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。FEA是高产品的强度。通常情况下，有加强筋的钳臂可
对已知工作载荷和边界条件下的结构强度计算的以承受更大的负载，直径尺寸大一些的使用寿命
最强大的一门技术。随着并行工程以及DFX技术较长，但同时重量也增大，因此设计者要对强度
的发展，FEA已成为设计过程中的关键步骤。最和重量进行权衡，找到最优设计。强度分析被广
初FEA只是用来在设计最后验证设计的合理性，泛用于获得特定负载条件下的结构的最佳强度/重
现在已经应用到设计整个过程，尤其是在上游设量比。
[3]
计阶段。ZhangB.等利用FEA技术，通过参数研究方法
然而，传统用于结构优化的FEA技术需要花分析内燃机的气缸盖直径这一关键参数，验证了气
费大量的时间，不能满足快速响应的需求，因此缸盖的结构设计中存在一个理想的参数匹配点[6]。参
关于FEA的进一步的研究目前引起了学术界的注数和最大应力之间的匹配关系有助于产品设计。
意。QiaoL.H.等提出了一种基于工程仿真的混合本文从两个方面阐述了一种新的结构优化设计方
[4]
优化设计方法，并以钳臂为例进行验证该方法。法：单参数分析和多参数分析。
通过总结前人的研究成果，其中一些研究也提出1）单参数分析
了参数建模方法，可以有效减少设计时间，并提产品结构的很多参数都会影响结构性能，并
高设计质量。LiuZ.C.等同归对VC++和ANSYS的且影响的程度不同。因此，可以通过单参数分析
APDL语言进行结合开发，完成了YJ32液压机下梁方法找出相对重要的影响参数。在固定其他参数

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。

第35卷第9期2013-09(下)【123】
的时候修改其中一个参数的值，可以得出一系列合理的设计，如钳臂的直径一般是45~60mm，间
的强度分析结果，通过分析结构的趋势来判断该隔为5mm。
参数的重要性。例如，当钳臂的长度以50mm的间如图1所示，对钳臂模型进行参数化，并编
距变化时，钳臂的最大应力和位移发生明显的改辑参数、特征尺寸、规则等，生成参数化模型，
变，因此，长度是影响钳臂结构的一个重要的参然后进行特征清理、网格划分以及边界条件处理
数。类似地，可以判断其他参数的重要性，并给生成FE模型。其中，参数化模型中很多细节是有
出权重。限元分析中所不需要的，如冷却水管、O型圈等
2)多参数分析零件以及小孔、槽、倒角等特征，对分析结果没
更多的时候，产品结构设计时往往会同时考有多大影响，却增加了分析复杂程度，应该进行
虑两个