乘用车的正向开发会用到那些优化方式
如何在满足性能要求（如强度、刚度、频率）的前提下，最大限度地减轻重量、节省材料、提高效率，是工程师们永恒的追求。
结构优化技术正是实现这一目标的核心手段。其中，形状优化和拓扑优化是最具代表性和应用最广泛的两种方法，共同塑造着高效、创新的结构形态。
1. 形状优化：精雕细琢，优化边界
核心思想： 在保持结构拓扑连接关系不变（即孔洞的数量、连接方式等基础布局不变）的前提下，通过调整结构边界轮廓来改善其性能。想象一下对一个已有的设计草图进行精细打磨，让它的线条更符合力学要求，在优化风阻的时候可以将尾翼部分做为优化设计空间，或是对整车进行变形。
如何工作： 形状优化通常需要预先定义一个初始的设计区域和大致形状。优化过程中，结构的边界由一组设计变量（如控制点的坐标、样条曲线的参数、尺寸参数等）来描述。优化算法（如梯度法、进化算法）通过迭代调整这些设计变量，使目标函数（如最小化重量、最大化刚度）达到最优，同时满足各种约束条件（如应力不超过许用值、位移不超过限值、频率避开特定范围）。
特点：
依赖于初始设计： 优化的结果很大程度上受到初始形状选择的影响。好的初始设计能更快找到更优解。
设计变量相对较少： 通常只调整边界参数。
易于制造： 优化后的形状通常是光滑或易于加工的轮廓，可以直接用于传统制造工艺（如机加工、铸造）。
结果直观： 优化结果是原始设计的“改良版”，工程师容易理解和接受。
典型应用：
飞机机翼、涡轮叶片的轮廓优化以减少阻力、提高升力或效率。
汽车车身钣金件、底盘零件的形状优化以减轻重量、提高刚度或碰撞性能。
桥梁、建筑构件的截面形状优化。
任何需要在既定布局下寻求最佳几何边界的设计场景。
了解更多形状优化原理与应用：
10.10.1、二维悬臂梁的形状优化
10.10.2、L型悬臂梁形状优化
10.10.3、使用自由形状优化实体支架
10.10.4、基于optistruct的钢轨的屈曲优化
10.10.5、OptiStruct：钢轨接头形状优化的降本之路
10.10.6、OptiStruct助力：多体动力学模型的高效形状优化
10.10.7、OptiStruct赋能铸造零件：含制造约束的自由形状优化实践
10.10.8、疲劳工况下的自由形状优化：提升结构耐久性的关键策略
10.10.9、OptiStruct全局搜索优化：探索设计全局最优解的高效策略
10.10.10、铝制散热片热优化：创新设计与性能提升
10.10.11、基于Neuber修正法的应力响应优化：高效提升结构性能
2. 拓扑优化：颠覆布局，寻求最优构型
核心思想： 拓扑优化是更“大胆”的设计方法。它在给定的设计空间内，寻求材料的最优分布模式，决定结构中哪里应该有材料，哪里应该是空的，以及它们之间如何连接。它回答的是“材料应该放在哪里？”这个根本性问题。
如何工作： 设计域通常被离散化为有限元网格。优化算法（如变密度法、水平集法、进化结构优化法）为每个单元或节点分配一个代表材料有无或密度的设计变量（通常在0到1之间）。通过迭代优化这些变量，使目标函数最优并满足约束，最终得到一个由不同密度区域构成的构型。后处理步骤通常将连续的密度分布转化为清晰的实体-孔洞结构。
特点：
不依赖于初始设计： 设计域可以是简单的矩形或块状，优化过程能“无中生有”地创造出复杂的、往往反直觉的结构形式（如仿生结构）。
设计变量极多： 通常每个单元或节点都是一个设计变量。
创新性强： 能发现传统经验无法构想的高效拓扑构型，突破设计思维定式。
制造挑战： 优化结果往往结构复杂，充满孔洞和不规则形状，传统制造方法可能难以实现，但非常适合增材制造（3D打印）。
典型应用：
设计全新的轻量化支架、连接件、承载结构。
优化机械零部件的内部加强筋布局。
设计高效的热传导路径或散热器结构。
微机电系统、植入式医疗器械的创新型结构设计。
概念设计阶段探索最优结构布局。
深入了解拓扑优化技术与前沿：
10.6.1、快速学会一项分析- 钣金结构的拓扑优化-OS-T：2000
10.6.2、快速学会一项分析- 最小成员尺寸的拓扑优化-OS-T：2005
10.6.3、快速学会一项分析- 控制臂的拓扑优化-OS-T：2010
10.6.4、通过形貌优化提高汽车防溅罩模态性能-OS-T：2020
10.6.5、带拔模约束的控制臂拓扑优化-OS-T：2030
10.6.6、焊点的拓扑优化-OS-T：2040
10.6.7、在拓扑优化中的应用模式组重复-OS-T：2050
10.6.8、同时应用拔模和对称约束的拓扑优化-OS-T：2060
10.6.9、使用超单元进行拓扑优化-OS-T：2070
10.6.10、应用应力约束的拓扑优化-OS-T：2080
10.6.11、带挤压约束的拓扑优化-OS-T：2090
10.6.12、使用等效静载荷法进行拓扑优化-OS-T：2098
3.形状优化 vs. 拓扑优化：相辅相成
层级关系： 拓扑优化通常在设计流程的前期进行，用于确定材料的最优分布和整体布局（“骨架”）。形状优化则常在拓扑优化确定的构型基础上，或在已知布局下，对具体边界进行精细化调整（“塑形”）。
互补性： 拓扑优化提供创新的、全局最优的布局概念；形状优化则对具体几何进行局部精修，进一步提高性能或满足特定制造、装配要求。它们经常在同一个设计项目中依次或迭代使用。
选择依据：
如果设计的基本布局（孔洞、连接）大致已知或受限，目标是优化具体轮廓尺寸，选形状优化。
如果设计空间相对自由，目标是寻求全新的、最高效的材料布局方式，选拓扑优化。
4.结语
形状优化和拓扑优化是现代结构设计领域强大的数字化工具。形状优化如同精密的雕刻刀，专注于边界的完美；拓扑优化则如同创新的画笔，重新定义材料的布局。它们共同推动着工程结构向更轻、更强、更高效、更智能的方向发展，为产品创新和性能突破提供了坚实的理论基础和技术支撑。随着计算能力的提升和增材制造等先进工艺的普及，特别是拓扑优化，正展现出前所未有的巨大潜力和广阔应用前景。
来源：TodayCAEer
