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基于ANSYS的客车车身骨架优化设计
Anoptimizingdesignmethodofbusbudyframebasedonansys
余启志
YUQi-zhi
（上海工程技术大学高等职业技术学院，上海200437）
摘要：应用有限元分析软件ANSYS建立了车身骨架有限元模型并进行计算，采用其提供的优化方法
对车身结构进行优化设计。选取车身骨架总质量为优化目标函数，状态变量选定为整车扭转
刚度及车身低阶固有频率，设计变量选取为车身骨架主要型材的截面参数。最终保证客车在
性能满足要求的前提下，减轻车身自重。
关键词：车身结构；参数化分析；优化设计
中图分类号：TH122文献标识码：B文章编号：1009-0134(2011)4(下)-0137-03
Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).40

0引言1优化设计模型
优化设计作为一种新的设计方法，产生于20如何将工程实际问题转化为优化设计模型，
世纪60年代初，它是建立在近代数学规划论和计这是机械优化设计首先要解决的关键问题。建立
算机程序设计的基础上，能使一项设计在一定的数学模型的三个基本要素是：设计变量、约束条
技术和物质条件下寻求一个技术经济指标最佳的件、目标函数，其中设计变量又称为自变量，通
设计方案。在近代，优化设计愈来愈多地应用于过其自身的选择和调整来实现优化结果的获取；
产品的设计中，通过优化，零部件能够使其力学约束条件又可分为边界约束和性能约束，边界约
性能得到改善，并可获得最佳的结构尺寸。机械束一般是考虑设计变量的取值范围，性能约束是
结构设计应用优化设计方法较传统的设计方法一根据设计性能或指标要求而定的一种约束条年如
般可节省材料7%40%。因此优化设计技术已工作应力等，在ANSYS中性约束又称为状态变
越来越受到人们的重视。量，它是因变量，是设计变量的函数；目标函数
传统的优化设计方法不仅要求设计人员要了解是某个方案的评价指标，有时也是某个设计所要
所求解问题的工程背景，将设计问题转化为某种优追求的目标函数。最优化设计就是要在某个可行
化模型，而且还要懂得一门计算机编程语言，这样域内，寻找一个最优点，使目标函数的值为最优。
他才有可能能够完成优化设计。也正是这些问题的优化设计问题的数学模型是实际优化问题的数

存在妨碍了优化技术在工程实际应用中的运用。学抽象。设某设计有n个设计变量X＝[x1,x2,⋯,

ANSYS软件是由总部位于美国宾夕法尼亚洲xn]，在满足gu(X)≤0（，u＝1,2,⋯,m）和hq(X)＝
的ANSYS公司创建，自1970年成立以来，一直0（，q＝1,2,⋯,l＜n）约束条件下，求目标函数f(X)

致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算＝（fx1,x2,⋯,xm）最小，该优化问题又可以称为“数
方法和计算技术，并已为全球业业界所接受。在学规划问题”，可抽象成数学模型，简记为：
该软件的高级分析篇中，它将有限元分析技术与
优化方法相结合，从而构成了基于有限元分析和
技术的优化设计，设计人员只要掌握设计问题的
相关工程背景，能将工程的实际问题转化为优化
模型，就可以利用ANSYS软件完成该问题的的优≤
设计，从而减少传统优化设计中的编程部分，大
大减少了优化设计的时间。

收稿日期：2010-12-15
基金项目：上海工程技术大学高等职业技术学院项目(GZ09-3)
作者简介：余启志（1979－），男，湖北鄂州人，讲师，研究方向为结构优化、CAE技术及应用。

第33卷第4期2011-4(下)【137】【137】
上式是为优化设计问题数学模型的通式，任化方法，其中零阶方法和一阶方法是可用的。零
何工程实际问题，在进行优化设计之间，都要将阶方法属于直接法，它是通过调整设计变量的值，
工程实际问题转化为这种形式，而其中的约束条采用曲线拟合的方法去逼近状态变量和目标函数，
件可根据工程问题的实际情况来确定。该方法可以适用于大多数工程问题。一阶方法是
2基于ANSYS的结构优化流程间接方法，它使用了状态变量对设计变量的导数，
在每次迭代中，梯度计算确定搜索方向。由于该
ANSYS的优化分析过程与传统的优化设计过
方法在每次迭代中要产生一系列的子迭代，它所
程相类似，在优化设计之前，要先确定好设计变量、
占用的时间相对较多，但其计算数度要高。另一
约束条件和目标函数。所不同的是其数学模型必须
方面ANSYS可以将多种方法混合使用，为了提高
要用参数化来表示，其中也包括设计变量、约束条
收敛速度，用户可以先采用某种优化方法迭代几
件和目标函数的参数化表示。另一方面ANSYS优
次，然后再利用其它方法进行迭代。
化设计过程三要素为：设计变量（又称自变量）、状
通过上述分析和根据ANSYS软件的说明，可