结构优化学习心得与体会

结构优化是设计工程师一生追求的梦想，之所以说是一生追求，是因为结构优化是循序渐进、厚积薄发，并不断自我突破的过程。目前，很多商业软件，从三维设计软件到工业仿真软件，都具有一定的优化设计或优化仿真的功能。（hyperworks、ABAQUS、ANSYS、SolidWorks、Creo等）初学者乍一看软件的功能介绍，多少会有一种‘’得此宝物者，即可逐鹿中原，雄霸天下‘’的感觉。这只能说明软件的推销文案很成功，事实却是，在优化设计的道路上布满荆棘。因为新颖奇巧的创意不等于优秀的工程结构设计，绚丽多彩的仿真数据不等于结构设计方案。那么，该如何理解基于仿真的优化分析在结构设计中的地位和作用呢？如何学习结构优化设计及分析呢？

先谈仿真优化在结构设计中的地位和作用。

基于仿真的优化分析分为两大类：①非参优化和参数优化。非参优化包括拓扑优化、衍生式优化、形貌优化、自由形状优化等；②参数化优化包括形状优化、尺寸优化和其它可以参数化的特性优化，一般各种参数组合在一起，利用DOE及响应面技术进行多学科优化。

非参优化多用于结构设计前期阶段，为结构设计提供概念、思路和设计方向。以网红-拓扑优化为例，在车身概念设计阶段，可以借助拓扑优化技术，获得满足多工况性能要求的概念车身结构。详细的可以参阅《基于场力等效的耐撞性能白车身拓扑优化分析》以及《白车身焊点优化设计（原创工程实例）》。

参数优化是基于DOE(试验设计)和响应面技术，将复杂的多学科物理响应关系近似为较简单易处理的数学函数模型，再利用成熟的优化算法进行快速的寻优求解。参数优化在结构设计中后期，可以起到多方案同步验证及改善的作用，有效地缩短产品设计周期。但是参数优化在结构工程应用中存在的问题是，随着DOE规模的增加，计算资源要求较高，这种要求对于一般的企业绝对是一笔不小的开销（前期投入保守估计也得千万费用）。尤其涉及碰撞、跌落、瞬态传质传热等高非线性问题，如何提高计算效率和近似模型精度是亟待解决的实际工程问题。当然，对于学习参数优化的方法和思路，一般商用仿真硬件配置就可以了（内存＞16G）。

再谈如何学习结构优化设计及分析。

上面谈到优化的作用和地位，并未提及实现优化的具体软件。之所以未提，是因为目前实现相同优化功能的商业软件很多（说明了仿真优化的重要性和普遍性），这也造成初学者的困惑，该如何选择与学习呢。

先不说如何选择软件，因为这些软件的操作都大同小异，很容易做到触类旁通，学一通三。据本人接触过的非参优化软件tosca、inspire、参数优化软件hyperstudy、isignt、optimus、兼具非参和参数优化功能的optistruct和workbench。同类软件的操作流程基本相同，涉及的优化参数设置也几乎一样，因为它们的求解计算原理基本相同。只是某些相同的数学优化概念在软件中的名称稍有差异。既然这样，该如何选择自己心仪的第一款软件呢？

如果您是一位经验丰富的设计师，想借助优化工具提升自己的优化创意，可以了解下inspire。它以optistruct为求解器，操作界面简单易学，详细内容可baidu。

如果您是一位CAE初学者，建议学习optistruct或者workbench，前处理学的hypermesh就学optistruc，其它的可以选择workbench。

如果您是一位CAE工程师，向继续拓展优化分析的能力，个人建议先深入的学习下优化分析的基本理论和实现方法。至于软件，optistruct、nastran、tosca都可以。不过在国内，近些年似乎optistruct官方的推广更好些，免费的资料比较好找。当然，由于技术保密性，结合工程经验的实际案例教学，免费公开的还是很少。

其实，从数学上讲，所有优化工具都是围绕三个基本概念实现优化功能的，即变量、约束、目标。把工程问题转化为三个基本元素，并在软件里复现，剩下的事由计算机和程序完成，即可实现优化分析。

最后需要补充的是：工程优化最最最难的是，优化计算结束后，如何形成有效的工程方案。

软件仅是工具，灵活运用、基础理论、工程经验才是不二法宝，大家共勉！

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