案例分享︱復雜仿真應用定制——ccxShapeOpt結構形狀優化APP 原創

神工坊（高性能仿真）

2025年11月10日 17:33

01 什么是結構優化設計？

結構優化設計 (optimumstructural design)在給定約束條件下（如結構體積、固有頻率），按某種目標函數(如結構剛度最大、質量最低)求出最好的設計方案，如以結構的重量最小為目標，則稱為最小重量設計。

結構優化按照改變結構原始狀態的程度分為：結構尺寸優化、結構形狀優化、結構拓撲優化。

1.結構尺寸優化

根據給定的設計目標和約束，確定結構參數的具體值的優化設計方法。例如，在給定的固有頻率和最大位移的條件下，優化車門的厚度這一結構參數達到重量最輕的目標。

2.結構形狀優化

根據給定的性能指標和約束條件，確定產品結構的邊界形狀或者內部幾何形狀的設計方法。

3. 結構拓撲優化

在固定的優化設計空間內，找到滿足各種性能條件的最佳材料分布。一般用于產品概念設計階段。

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圖1 結構優化分類【1】

本文關注結構的形狀優化。形狀優化一般用于產品設計的中后期，即產品大體輪廓已經確定，只需進行較小的改動【2】。本文采用的自由形狀優化技術是一種基于網格節點自由變形的技術，該技術基于目標函數對設計域網格節點坐標的靈敏度分析以及每次迭代的移動控制策略，能夠自動地改變設計域的網格坐標，省去了設計人員手動對單元網格進行變形的步驟，設計人員只需要在結構上選擇節點集合再設定好移動控制參數即可等待優化結果報告。

02 ccxShapeOpt結構形狀優化APP

CalculiX是一個對標著名非線性結構分析商軟ABAQUS的免費、開源的3D結構非線性分析程序【3】。基于我們現有的定制應用開發框架，ccxShapeOpt APP的前處理頁面中集成了CalculiX-cae【4】，目的是快速、準確無誤地生成求解器輸入文件，其以樹形結構的形式展現了CalculiX的求解器輸入文件，如下圖所示。用戶可以右擊進行屬性改變或增減操作。基于CalculiX的網格節點坐標靈敏度分析結果，我們開發了自由形狀優化的迭代控制程序【5】。我們的算例是在設計域體積不變的情況下，改變設計域網格坐標，使得結構在某載荷約束下，最大mises應力最小。

案例分享︱復雜仿真應用定制——ccxShapeOpt結構形狀優化APP的圖3

03 形狀優化APP功能介紹

1.前處理頁面

前處理界面左側為網格顯示區，右側為前處理功能區。包括工程路徑的設置、求解模型的讀取以及修改后輸入文件的保存等。

圖2 前處理頁面

2.計算監控頁面

計算監控界面包含四個區域。左上角為計算控制區域；左下角為優化進程顯示，包括迭代步數和目標函數值等；右側兩個顯示區分別顯示仿真求解標準輸出以及優化計算標準輸出。用戶可以根據輸出內容及下方進度條掌握求解進程。

圖3 計算控制頁面

3.后處理頁面

后處理界面分為兩個視圖，分別為優化前的仿真結果和優化后的仿真結果。在優化迭代計算過程中，用戶可以隨時查看當前迭代步的結果。從下圖可以看出，形狀優化后的連桿最大mises應力降低了14%。從應力云圖可以看出，初始結構應力分布不均勻，連桿上部分應力較大，下部分應力較小。在體積不變的情況下，通過自由形狀優化，減小了小應力部分的直徑，增大了大應力部分的直徑（見圖5局部放大圖），使得最大應力減小，應力分布更加均勻。