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UGNX7.5结构静力学和优化分析实例（图文版）

一、优化设计基础知识

优化设计是将产品/零部件设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学规划

理论，采用适当的优化算法，并借助计算机和运用软件求解该数学模型，从而得出最佳设计

方案的一种先进设计方法。

设计变量、约束条件、和目标函数是优化设计的3个基本要素。

例如：在结构满足刚度、强度要求的前提下，通过改变某些设计参数，使得整个模型的

重量最轻（或者体积最小），不但节省材料，且方案运输；实际中某些底座、箱体结构在满

足刚度和强度条件下，通过改变某些参数，使得该模型的第1阶固有频率最大，这样可以有

效的避开共振。

二、结构优化设计的一般流程

开始结构分析

创建有限元模型结果收敛是

1.材料属性

2.单元属性

否

3.网格划分

灵敏度分析计算结束

创建仿真模型

1.设置边界约束优化求解

2.施加载荷

优化结果

定义优化问题

1.定义目标函数

2.定义设计约束

更新设计变量

3.设计变量初始化

图结构优化设计流程示意图

三、UGNX7.5结构优化分析简介

UGNX7.5高级仿真结构优化解算器采用美国Altair公司提供的AltairHyperOpt，拥有强

大、高效的优化设计能力，其优化过程由设计灵敏度分析及优化两大部分组成，可对静力、

模态、屈曲、瞬态响应、频率响应、气动弹性、颤振分析进行优化。

四、问题描述

图示三维模型为工程机械中常用的连杆零件，材料为铸体HT400，其结构特征是两端有

回转孔，孔径一般不一致，中间为内凹结构，工作时其一侧大孔内表面3个平移自由度被限

制，右侧小孔单侧承受力载荷。假设该孔能承受的极限大小为8000N，在原始设计的基础上

对其中间的结构：中间肋板厚度、两侧肋板的宽度进一步进行结构优化，其中两侧孔径不能

变动。

在三维建模过程中，肋板的截面形状是通过草绘来实现的，两侧肋板的宽度采用尺寸约

束，中间肋板结构是通过拉伸和布尔差命令得到的，中间肋板厚度为4mm。

现在需要对上述肋板结构进行优化，优化的目标是整个模型的重量最小；约束条件是在

不改变连杆模型网格划分要求，边界约束和载荷大小的前提下，参考计算出的位移和应力响

应值确定的，要求在保证模型刚度安全裕度的前提下，模型最大位移不超过0.04mm，控制

最大应力值不超过材料屈服强度的65%（225MPa）；设计变量1为中间肋板的厚度，该变量

为特征尺寸；设计变量2为两侧肋板的宽度，其值为7mm，优化时定义其范围为6~10mm，

该变量类型为草图尺寸。

五、问题分析

模型所用材料的基本参数为：连杆材料铸铁材料，对应于UG材料库中的Iron_Cast_G40，

密度为7.15e-006kg/mm3，杨氏弹性模量为1.4e+008mN/mm2(Kpa)，泊松比为0.25，屈服强

度为345MPa。

六、操作步骤

（1）创建有限元模型

【开始】-【高级仿真】，进入CAE分析模块环境

在【仿真导航器】中右键单击【Link.prt】，弹出【新建部件文件】对话框，修改【名称】

和【文件夹】两选项，【确定】

弹出【新建FEM】对话框，默认【求解器】和【分析类型】选项，单击【确定】进入

创建有限元模型的环境。