某车型板簧支架非线性拓扑优化实例

面对日益激烈的市场竞争压力与工业产品技术的快速发展，产品开发周期大幅缩短，而产品复杂度也同步提升。在此背景下，利用结构优化软件工具已崭露头角，为降本增效、提升产品质量提供了强有力的支持，从而助力企业全面提升核心竞争力。例如，HyperWorks优化模块OptiStruct作为全球领先技术，广泛应用于汽车、航空航天、船舶制造、机械加工等广泛领域。

然而，OptiStruct在结构优化过程中，往往聚焦于线性优化方案，这使得在考虑复杂因素如几何非线性、材料非线性以及边界条件等非线性因素时存在局限性，导致优化结果有时与实际工程需求相去甚远。因此，寻求一款能够全面考虑非线性因素的优化软件显得尤为重要，以确保优化结果更加贴近实际工程应用，实现更加合理的结构设计。

Tosca，作为一款遵循无参数原则的结构优化系统，它的独特之处在于其能够对带有任意负载情况的有限元模型进行拓扑和外形优化。在优化实施过程中，无需重建模型，可以直接使用原有有限元模型。每一轮迭代均在外部求解器环境中进行，通过集成业界广泛认可的标准求解器，确保了计算结果的高精度和高质量。

更值得强调的是，迭代过程与优化软件本身是独立的，这意味着用户可以轻松调用大型通用非线性有限元软件，如Abaqus，以充分考虑求解过程中涉及的几何非线性、材料属性非线性以及边界条件非线性等问题。这一特性为用户提供灵活的选择空间，确保优化过程中能够全面反映实际工程需求。

以下将通过一个实例，演示Tosca在非线性优化领域的优势与应用。模型设计关注的区域为绿色标注的支架组件，优化目标包括：




1. 重量控制：目标支架重量需控制在6KG以内，以实现轻质高效。


2. 多工况考虑：优化需覆盖所有三个工况，并赋予每种工况相等的权重。


3. 螺栓预紧力：整合考量其对结构性能的影响。


在设计变量约束方面，优化结果需满足以下条件：


1. 尺寸约束：优化后，支架最薄处不得低于6mm，最厚处不得超过20mm。


2. 对称性：支架设计需体现左右对称原则。


3. 分模线：沿y轴方向进行分模。


方法与过程：

在Abaqus求解配置中进行优化设置后，实行Tosca优化过程，三个阶段的迭代确定了优化结果。 图像展示了Tosca优化成果中支架的最终设计，相较于传统的线性优化结果（图所示），非线性优化展现了诸多优势：

综合效果：考虑了螺栓预紧力的影响、多个工况之间的相互作用，优化不仅显著减轻了结构重量，且在刚度上有显著提升，同时提高了铸造工序的工艺可行性。

此例揭示了Tosca内部各程序间的紧密协同作用，不仅实现了新产品结构在CAD/CAE系统中的从概念设计到最终成品的闭环优化过程，而且通过优化过程，设计结果更加贴近实际工程场景和需求，实现了更加合理的结构设计与优化。