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3.2机械产品结构创新优化设计方法

3.2.1拓扑设计概念

（一）简介

拓扑优化（topologyoptimization）是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指

标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。

结构拓扑优化是实现结构轻量化的重要手段之一，通过对结构的拓扑优化，可以找到最

合理的结构传力路径，设计工程师根据拓扑优化结果，对结构进行再设计，使其既能满足结

构强度要求还能满足工艺要求如图3-20所示。

原始

设计

优化

最终设计:减重

55%

图3-20拓扑优化设计

3.2.2结构优化类型

（1）简介

拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分

布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。结构优化方法应用优化算法通过有限元分析解

决结构问题。

（2）类型

结构优化可分为尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。

①拓扑优化：以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间

中找到最佳的分布方案，适合概念设计阶段如图3-21所示。

②形状优化：是一中队现有零部件的形状和位置进行优化的技术，适合基本设计阶段如

图3-21所示。

③尺寸优化：是一种参数优化技术，用来寻找最优化的设计参数组合，例如材料参数、

横截面尺寸和厚度等，适合于详细设计阶段如图3-21所示。

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图3-21拓扑优化设计形貌优化设计形状优化

由此可见，拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更

大的设计空间，是结构优化最具发展前景的一个方面。图示例子展示了尺寸优化、形状优化

和拓扑优化在设计减重孔时的不同表现。

（3）优化软件选择

1）TOSCAStructure

TOSCAStructure是德国Fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构

优化设计软件系统，作为其进行产品虚拟开发的软件工具。

TOSCAStructure是标准的无参结构优化系统，可以对具有任意载荷工况的有限元模型

进行拓扑、形状和加强筋优化。在优化过程中，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA

Structure是进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，通过采用众多

业界认可的优化器进行优化求解，保证了优化结果的高质量。通过TOSCAStructure内部

各程序的相互作用可以完成新产品结构在CAD/CAE系统中从概念到成品的闭环优化设计过

程如图3-22所示。

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网格划分和拓扑