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之前我们从结构优化技术的概述，讲到结构优化算法，今天我就把结构优化中主要的三大优化技术细致的讲讲。欢迎大家分享你们的经验，还是那句话，我本身不是研究理论算法的，只是一名工程师，我的观点适用于参考学习，如果想要深入了解的话，我在文末会推荐大家两本书深入学习。（文末领取结构优化经典参考书籍）
尺寸优化属于参数优化技术的一种，是结构优化技术中一种非常经典的、应用非常广泛的优化技术，也可以说它是其他优化技术衍生的基础。它可以对结构的各种参数进行优化，比如：板件厚度、梁杆横截面积、惯性矩、弹性元件的刚度等等。提到尺寸优化，那就不得不提自由尺寸优化技术，两者大不相同，自由尺寸优化是把设计空间中每个单元的尺寸参数作为设计变量，最后设计空间的优化结果并不是连续均匀的，而不均匀分布的。这种优化技术和拓扑优化非常相似，它比拓扑优化更厉害的一点在于它不仅可以保留材料或者去除材料，它还可以自由的控制尺寸参数，可谓技高一筹。但是自由尺寸优化也有致命的弱点就是对于3D实体单元，根本用不了自由尺寸技术进行优化，只能用拓扑优化技术，这也导致了其长时间没有得到广泛的应用。目前，尺寸优化技术的主要方法有数学规划法和最优准则法两种。对于大型复杂工程问题，采用灵敏度分析的方法进行尺寸优化是一种效率很高的方式。灵敏度分析是研究分析结构的状态或输出变化对系统参数或周围条件的敏感程度，而在结构优化技术中，灵敏度分析的主要作用就是评价设计变量的变化对结构性能的影响程度，通过灵敏度分析筛选出对结构性能影响较大的设计变量进行优化，不仅能够提高优化效率，更能避免由结构参数的大规模优化所带来的对结构性能的负面影响。形状优化是对结构的边界或者形状进行优化设计的技术，属于详细设计阶段的技术。形状优化实际是通过单元节点的移动或者单元变形到另一个新的位置，来实现结构形状的改变，从而提高结构振动、强度或者刚度的性能。形状优化技术不同于尺寸优化技术只改变结构的参数，形状优化改变结构的原始形状设计。同样，提到形状优化技术，那就不得不提自由形状优化技术。而自由形状优化技术和形状优化的区别在于两者节点变形的方式不同。形状优化技术是基于手动建立单元网格的变形技术，比如在HyperWorks中需要利用HyperMorph模块手动定义单元节点的挠动，对单元网格进行变形，再通过Optistruct进行分析确定实际单元变形的最佳位置，来改变结构的形状。因此，对于复杂的工程问题，需要工程师具有丰富的经验，才能进行完美的形状优化。自由形状优化是一种基于边界节点自由变形的技术，自由形状优化省去了设计人员需要手动对单元网格进行变形的步骤，设计人员只需要在结构上选择好边界节点集合， 再设定好边界节点的自由变形方式，通过 Optistruct 优化软件，就会自动得到满足设计要求的最佳结构边界形状。在优化过程中结构模型可能生成新的单元网格并且进行自适应分析，通过不断变形以减少单元的扭曲。除了自由形状优化技术，还有一种技术应用也非常广泛，那就是形貌优化技术。其被广泛应用于提高各种冲压板件的性能，如减小变形、提高模态频率，减少振动等等。在形貌优化中，设计空间由大量的节点波动向量组成，这些节点波动向量，按照一定的模式进行组合以满足设计约束，并最终生成优化后的最佳形貌。形貌优化技术和拓扑优化技术都属于概念设计阶段的技术，两者的求解方法也类似。与尺寸优化相比，形状优化的更耗费计算时间，因为其刚度矩阵和设计变量之间呈非线性变化，导致工程计算量和灵敏度分析的难度成倍增加。但是形状优化同样具有很多优势，使用形状优化技术可以避免应力集中，提高结构刚度，延长结构使用寿命。拓扑优化技术是一种具有革新性的优化技术。拓扑优化实质是在固定的优化设计空间内，找到满足各种性能条件的最佳材料分布路径，从而得到质量最轻的设计方案。拓扑优化的主要思想就是把最优拓扑布局问题转化为最佳材料分布问题。拓扑优化技术可以说是近几十年来最炙手可热的结构优化技术研究课题，因为拓扑优化技术颠覆了传统的经验设计方式，实现了由性能驱动的正向设计模式。没有拓扑优化技术之前，设计人员只能通过自己积累的经验和有限的设计方法进行结构的初步设计，而这种方式很难获得最优的结构布局，而拓扑优化技术的产生则改变了这种设计模式，设计人员可以根据设计要求对结构进行拓扑优化，得到满足设计要求的初步设计方案，再结合其他结构优化技术，考虑力学、美学及加工要求等，就可以得到质量更轻、性能更佳的最优结构设计方案。而求解拓扑优化问题必须利用到材料插值模型，目前比较常用的有均匀化法、变厚度法、变密度法 （SIMP 方法）、水平集法、渐进结构优化方法（ESO）、独立连续映射方法（ICM）。在这里我就只介绍均匀化法，其他方法大家如果感兴趣可以自行去了解。均匀化法是最早提出并应用实践的拓扑优化方法，由它发展出了后来的大部分优化方法。其基本思想是把尺寸优化和拓扑优化有机结合起来，在拓扑优化中引入所谓的微结构概念，在利用有限元法对设计域进行离散化的基础上，将整个设计空间假设成类似细微空孔分布的微结构单元，以优化设计域中细微的空孔尺寸为设计变量，以细微空孔内部几何尺寸的变化来实现微结构的增删，从而带动设计域的拓扑布局变化。近些年，国内外学者把均匀化法应用到柔性结构的拓扑优化设计和复合材料的拓扑优化设计中，取得了非常好的成果。今天结构优化技术就讲这么多了，以后用到学到哪些新的方法，再给大家分享。作者：CAE机械师 精选：王华军 编辑：刘义美 | 校对：栗夏
排版：李俊苗
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