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基于实体有限元的机械优化设计方法及其应用

引 言

优化设计是一种现代设计方法，建立在优化数学理论和现代计算机技术基础之上，其任务是运用计算机自动确定工程设计的最优方案.随着生产技术的发展和科技的进步，对机械产品的设计质量要求越来越高，产品更新换代的速度也越来越快，这就要求广大设计工作者掌握更加科学的工程设计方法和设计工具，以适应生产力迅速发展的现代市场需要.本文以著名的CAE软件COSMOSWorks为设计工具，对一悬臂支架建立了实体有限元优化模型，并进行了优化设计.设计的结果充分显示了现代设计工具在机械设计中的重要作用.

1 优化设计的基本原理

优化设计的数学模型是对实际问题的特征或本质的抽象，是反映各主要因素之间内在联系的一种数学形态.在大多数情况下，优化问题是求解非线性约束问题.

2COSMOSWorks优化步骤

COSMOSWorks是完全整合在SoldWorks中的设计分析系统，提供压力、频率、约束、传热和优化分析，为设计工程师在SolidWorks环境下，提供比较完整的分析手段.凭借先进的快速有限元技术(FFE)，工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息.分析的模型及结果与SolidWorks共享一个数据库，这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作，分析也因而与计量单位无关.在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上.在这样的环境下，操作简单，节省时间，且硬盘空间资源要求很小.

COSMOSWorks提供了强大的实体有限元格剖分和求解技术，其优化分析模块的求解流程如图 1所示。

图1 COSMOSWorks优化流程图

图1中实体模型的创建以及优化全过程都是在SolidWo提升煤炭品质rks环境下进行的，所有创建的模型都为实体模型 ，而不需要力学简化，这是COSMOSWorks的一大特点.COSMOSWorks可以灵活地选测深仪择优化目标、设计变量和约束变量.

3 优化设计实例

3.1 优化设计的数学模型

悬臂支架的结构和初始尺寸如图2所示，厚度为 15mm，在优化过程中保持不变.优化的数学模型为婴儿推车：

图2 优化前悬臂支架结构

1)设计变量

在支架的优化设计中，选择截面的三个关键尺寸为设计变量，即:

X=(D11，D12，D13)T

2)目标函数

本例中以支架的总重量为目标函数，由于支架为同一种材料，因此优化目标等价于使结构的体积最小.

3)设计约束

在优化过程主要满足结构的应力、位移和固有频率在特定的范围内.本例中的约数限制为：

3.2 优化求解

在静力和频率分析的基础上，设置最大优化的循环次数为30次，误差为尺寸值的5%，结果在COSMOSWorks环境下进行了14次优化迭代获得了收敛.三个设计变量在迭代过程的变化趋势如图3所示：

图3 设计变量的变化趋势

设通风器计变量的初始参数值和优化值见表1.悬臂支架优化未来有望在新投产的G6上成功复制并跟随中国电子信息产业团体走向海外的前的体积是1.07xm3优化后的体积是6.97xm3，体积减小了34.9%，而且计算结果表明优化后的结构完全满足给定的约束条件。

图4 优化后的悬臂支架结构

4 结束语

通过一个悬臂支架的清洗剂设计实例，介绍了实体有限元软件在优化设计中的应用方法.实践表明基于COSMOSWorks软件的实体有限被动针的位置可按玻璃结构调剂的方向是产品结构高端化和原料结构多元化罩外面的把手调理之元优化设计方法操作简单，使用方便，不仅提高了产品的设计效率，而且也改善了产品的性能。(end)