結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)（Structural Optimization Design），很多文獻書籍里概念解讀不同，但意思都是一樣的，就是在實際邊界條件下，按照工程設(shè)計目標（重量最輕、剛度最大、成本最低）得出最佳設(shè)計方案的技術(shù)。它是一門綜合性的學科，涉及的領(lǐng)域非常廣泛。其最早可以追溯到19世紀的無約束行架最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局問題，到20世紀中葉有人提出可以處理一些簡單問題的“同步極限準則”，但這個準則具有非常大的局限性，后來又有人提出“滿應力設(shè)計準則”，但是在處理不靜定結(jié)構(gòu)時同樣受限。直到70年代初，才有人提出現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)理論，隨著科技的進步和計算機工程軟件的高速發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在理論模型研究和數(shù)值方法的實現(xiàn)上取得了巨大的進步，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)逐步成熟起來。時至今日，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)滲入到航天航空、土木建筑、交通運輸、裝備制造等各個工程領(lǐng)域，幾乎所有主流商用軟件如:Ansys、Abaqus、Nastran、Hyperworks等都具備了非常完善的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模塊，極大的促進了結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計其實可以分為兩個階段：概念設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段。概念設(shè)計屬于產(chǎn)品研發(fā)初期，而詳細設(shè)計屬于研發(fā)后期，簡單的說，概念設(shè)計就是先得出結(jié)構(gòu)的基本形狀，詳細設(shè)計就是在此基礎(chǔ)上做更加細化的設(shè)計。
概念設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有：拓撲優(yōu)化（Topology）、形貌優(yōu)化（Topography）和自由尺寸優(yōu)化（Free Size）。詳細設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有：尺寸優(yōu)化（Size）、形狀優(yōu)化（Shape）、自由形狀優(yōu)化（Free Shape）。所以，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)大體上可以分為三種：拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。
不管你是哪一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，都離不開三要素：設(shè)計變量、約束條件、目標函數(shù)。就好比寫小說離不開人物、情節(jié)、環(huán)境一樣，少了任何一項都不行。
設(shè)計變量就是我們在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，需要確定優(yōu)化哪些參數(shù)會讓我們獲得理想效果，那么這些參數(shù)就是設(shè)計變量。對于拓撲優(yōu)化，它可能是板殼的單元密度；對于尺寸優(yōu)化，它可能是桿梁的橫截面積或者薄板的厚度分布；對于形狀優(yōu)化，這些參數(shù)可能是結(jié)構(gòu)外形或者邊界的節(jié)點集。設(shè)計變量在優(yōu)化過程中不斷地變化，而目標函數(shù)也隨著設(shè)計變量的變化而變化。
約束條件是我們根據(jù)實際情況，對設(shè)計變量施加的邊界條件。比如，在降低汽車整體重量的同時，要保證結(jié)構(gòu)強度，或者避免結(jié)構(gòu)發(fā)生應力集中。建立約束條件之前，需要先建立優(yōu)化響應，滿足約束條件的單元就組成了優(yōu)化設(shè)計域，結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程隨著轉(zhuǎn)變?yōu)樵趦?yōu)化設(shè)計域中尋找最優(yōu)解的過程。
目標函數(shù)的意思就比較簡單了，就是我們想要得到的優(yōu)化目標，比如：為了使汽車提速，來減輕車身以及內(nèi)飾的重量，質(zhì)量最小化就是優(yōu)化問題中的目標函數(shù)，之所以叫目標函數(shù)是因為在數(shù)值計算中它是設(shè)計變量的函數(shù)。當然，提到目標函數(shù)絕不僅僅是質(zhì)量最小化，結(jié)構(gòu)的柔度最小，剛度最大；體積分數(shù)最小化；模態(tài)一階頻率最大化都可以是目標函數(shù)，目標函數(shù)是根據(jù)工程實際而定的，大型優(yōu)化工程問題中，目標函數(shù)往往是多個，優(yōu)化的目標越多，考慮的因素也就越多，優(yōu)化問題也就變得更復雜。往往得不出預期結(jié)構(gòu)可能是目標函數(shù)選的不好，你以為它能這么優(yōu)化，實際上行不通，所以在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，選擇合理的目標函數(shù)是個很重要的問題。
還有一個誤區(qū)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計嚴格意義上來說并不等于輕量化設(shè)計，當然如今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)被廣泛的應用于汽車、飛機、火箭、船舶等大型裝備的減重設(shè)計中，但不能說輕量化設(shè)計就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，因為輕量化設(shè)計還包括其他的優(yōu)化技術(shù)，比如：材料的優(yōu)化升級技術(shù)，以及加工工藝的優(yōu)化技術(shù)等，只不過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對于結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計來說時性價比最高的一個手段，這也體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)未來的發(fā)展前景，將會非常廣闊。
【END】
| 
