優化驅動的產品設計流程
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1．產品設計流程的變化
傳統的產品設計流程是一個人工反復的過程，工程師借助CAD工具進行產品的設計，然后提交到工廠進行加工制造，接著對產品進行實物試驗，如果產品不能滿足功能要求或者失效，就需要對產品設計進行修改，甚至重新設計，如此反復，直到產品在實物試驗中滿足全部要求。這是一個周期長，耗費高的過程，已經完全不能滿足現代產品設計的要求。
隨著計算機軟硬件技術的發展，CAE技術日趨成熟，各種數值仿真方法，如有限元、多體動力學、計算流體力學等技術在產品設計中得到大量的應用。產品在初步設計完成后，可以基于CAD模型進行產品性能的虛擬試驗，初步考察其工作應力、運動過程、產品壽命等。如果產品不能滿足要求，可以立即返回設計人員進行修改或重新設計，從而大大減少實物試驗的周期和費用。
2．優化驅動的產品設計過程
然而，今天被眾多企業所廣泛應用的CAE技術仍然有其局限性，其表現在于CAE技術仍然僅被用作在產品設計后期對設計方案的校核。不幸的是，如果在這一階段發現了問題，設計者已經沒有足夠的自由度對結構做出全面的改進，我們所能做的僅僅是局部的調整并祈禱這種調整不會造成別的問題。根本問題在于，在設計的早期——即我們擁有最大的設計自由度的概念設計階段——我們所能憑借的完全是經驗和想象力，很難同時把產品的所有性能精確的考慮進來，并且往往由于經驗所限，不能給出創新的設計。我們最有效的CAE技術似乎從來無法在這個階段幫助我們。
今天，CAE技術中一個非常重要的組成部分——結構優化技術已經發展成熟并成功地被用于產品的設計，它以其天生的優勢正在改變傳統的設計流程。在概念設計階段，優化技術可以把產品所需性能全部考慮進來，在給定的設計空間下找到最佳的產品設計思路；在虛擬試驗階段發現問題后，優化技術可以直接給出產品改進的方案，而不僅僅是對產品進行校核，從而真正幫助設計工程師設計出創新和可靠的產品。這種全新的產品設計過程，就是優化驅動的產品設計過程（ODDP）。
可見，優化驅動的產品設計過程給了產品設計工程師最有效的設計幫助，在概念設計這個決定80％最終產品成本的關鍵階段，在產品改進這個耗時費力的重復階段，提供了革命性的解決方案，從而大大節省了時間和費用，提高產品性能和投放市場的速度。
3．Altair OptiStruct結構優化技術
目前，世界上已經有多個商用結構優化求解器，其中Altair OptiStruct是公認的技術最成熟、最全面的結構優化求解器，已經被廣泛應用在各行各業的產品設計實踐中。
OptiStruct提供了拓撲優化、形貌優化、尺寸優化、形狀優化以及自由尺寸和自由形狀優化技術，通過在產品設計的各個階段靈活運用各種結構優化技術，OptiStruct成為創新產品設計的驅動者。
3．1 拓撲優化技術（topology optimization）
拓撲優化是一種具有創新性的概念設計技術，在產品設計的最初階段，設計人員確定設計空間、設計目標、設計約束和制造工藝約束等，OptiStruct可以自動尋找出最佳的材料布局，從而為設計人員提供非常關鍵的概念設計方案。
3．2 形貌優化技術（topography optimization）
形貌優化是一種面向薄壁結構和鈑金件的概念設計技術。設計人員可以確定設計區域、筋的最大高度和起筋的角度等參數，OptiStruct可以尋找出最佳的加強筋布局。
3．3 形狀優化技術（shape optimization）
形狀優化是一種對現有零部件的形狀和位置進行優化的技術，適合于詳細設計階段。OptiStruct可以直接改變零件的有限元網格，而不需要反復修改CAD數據即可獲得全新的產品設計性能，從而大大減少優化設計所需要的時間。OptiStruct支持自由形狀優化，無需再手工建立形狀變化變量即可對選定邊界進行優化。
3．4 尺寸優化技術（size optimization）
尺寸優化是一種參數優化技術，用來尋找最優的設計參數組合，例如材料參數、橫截面尺寸和厚度等，是一種最為普遍也最為簡單的優化。
對于板殼結構，OptiStruct支持自由尺寸優化，自動定義板殼的每個區域（單元）的厚度為設計變量并給出最佳值。
4．案例——飛機艙門支撐臂設計
4．1 背景－飛機結構輕量化設計
EADS（歐洲航空防務及航天公司）是全球三個最大的航天集團之一。Eurocopter是EADS下屬的全資子公司，主要設計開發商用和軍用直升機，同時參與空中客車所有機型的艙門和整流罩的開發。
由于來自強勢客戶和業界本身競爭的壓力，飛機制造商們正在積極地尋求方法來降低飛機的結構重量，Eurocopter公司也不例外。為了滿足項目工期和復雜的、甚至苛刻的產品設計目標，Eurocopter公司在產品開發過程中積極采用基于Altair OptiStruct結構優化技術的設計流程。本案例著重講述這個流程的一個成功應用——重新開發一種質量更輕的艙門支撐臂。下圖所示是支撐臂在艙門中的位置和初始設計。
4．2 過程
設計過程分為概念設計和詳細設計共兩個階段：
《一》、概念設計階段的主要目的是得到艙門支撐臂的全新設計思路，這可以通過OptiStruct的拓撲優化技術實現。首先根據支撐臂的安裝位置、運動軌跡和連接關系確定設計空間，然后建立主要工況，包括艙門關閉、緊急打開和氣閥撞擊三種工況，將這些工況下的結構剛度指標作為設計約束。設計目標為重量最小。同時，在優化過程中考慮了拔模方向，以滿足鑄造工藝要求。根據OptiStuct給出的設計思路，設計工程師就可以初步設計出支撐臂的結構。
優化驅動的產品設計流程是一種革命性的設計理念，以Altair OptiStruct為代表的結構優化技術給了工程師真正的幫助，是整個設計過程的靈魂和驅動者。這一全新的設計流程由于在設計一開始就實現了優化設計，避免了在設計后期階段過多的反復，從而大大縮短了產品的設計周期。此外更重要的是，優化設計本身可以幫助尋找到更輕、同時性能更好的設計方案，在產品結構減重和自主創新領域都有非常重要的意義。
傳統的產品設計流程是一個人工反復的過程，工程師借助CAD工具進行產品的設計，然后提交到工廠進行加工制造，接著對產品進行實物試驗，如果產品不能滿足功能要求或者失效，就需要對產品設計進行修改，甚至重新設計，如此反復，直到產品在實物試驗中滿足全部要求。這是一個周期長，耗費高的過程，已經完全不能滿足現代產品設計的要求。
隨著計算機軟硬件技術的發展，CAE技術日趨成熟，各種數值仿真方法，如有限元、多體動力學、計算流體力學等技術在產品設計中得到大量的應用。產品在初步設計完成后，可以基于CAD模型進行產品性能的虛擬試驗，初步考察其工作應力、運動過程、產品壽命等。如果產品不能滿足要求，可以立即返回設計人員進行修改或重新設計，從而大大減少實物試驗的周期和費用。
2．優化驅動的產品設計過程
然而，今天被眾多企業所廣泛應用的CAE技術仍然有其局限性，其表現在于CAE技術仍然僅被用作在產品設計后期對設計方案的校核。不幸的是，如果在這一階段發現了問題，設計者已經沒有足夠的自由度對結構做出全面的改進，我們所能做的僅僅是局部的調整并祈禱這種調整不會造成別的問題。根本問題在于，在設計的早期——即我們擁有最大的設計自由度的概念設計階段——我們所能憑借的完全是經驗和想象力，很難同時把產品的所有性能精確的考慮進來，并且往往由于經驗所限，不能給出創新的設計。我們最有效的CAE技術似乎從來無法在這個階段幫助我們。
今天，CAE技術中一個非常重要的組成部分——結構優化技術已經發展成熟并成功地被用于產品的設計，它以其天生的優勢正在改變傳統的設計流程。在概念設計階段，優化技術可以把產品所需性能全部考慮進來，在給定的設計空間下找到最佳的產品設計思路；在虛擬試驗階段發現問題后，優化技術可以直接給出產品改進的方案，而不僅僅是對產品進行校核，從而真正幫助設計工程師設計出創新和可靠的產品。這種全新的產品設計過程，就是優化驅動的產品設計過程（ODDP）。
可見，優化驅動的產品設計過程給了產品設計工程師最有效的設計幫助，在概念設計這個決定80％最終產品成本的關鍵階段，在產品改進這個耗時費力的重復階段，提供了革命性的解決方案，從而大大節省了時間和費用，提高產品性能和投放市場的速度。
3．Altair OptiStruct結構優化技術
目前，世界上已經有多個商用結構優化求解器，其中Altair OptiStruct是公認的技術最成熟、最全面的結構優化求解器，已經被廣泛應用在各行各業的產品設計實踐中。
OptiStruct提供了拓撲優化、形貌優化、尺寸優化、形狀優化以及自由尺寸和自由形狀優化技術，通過在產品設計的各個階段靈活運用各種結構優化技術，OptiStruct成為創新產品設計的驅動者。
3．1 拓撲優化技術（topology optimization）
拓撲優化是一種具有創新性的概念設計技術，在產品設計的最初階段，設計人員確定設計空間、設計目標、設計約束和制造工藝約束等，OptiStruct可以自動尋找出最佳的材料布局，從而為設計人員提供非常關鍵的概念設計方案。
3．2 形貌優化技術（topography optimization）
形貌優化是一種面向薄壁結構和鈑金件的概念設計技術。設計人員可以確定設計區域、筋的最大高度和起筋的角度等參數，OptiStruct可以尋找出最佳的加強筋布局。
3．3 形狀優化技術（shape optimization）
形狀優化是一種對現有零部件的形狀和位置進行優化的技術，適合于詳細設計階段。OptiStruct可以直接改變零件的有限元網格，而不需要反復修改CAD數據即可獲得全新的產品設計性能，從而大大減少優化設計所需要的時間。OptiStruct支持自由形狀優化，無需再手工建立形狀變化變量即可對選定邊界進行優化。
3．4 尺寸優化技術（size optimization）
尺寸優化是一種參數優化技術，用來尋找最優的設計參數組合，例如材料參數、橫截面尺寸和厚度等，是一種最為普遍也最為簡單的優化。
對于板殼結構，OptiStruct支持自由尺寸優化，自動定義板殼的每個區域（單元）的厚度為設計變量并給出最佳值。
4．案例——飛機艙門支撐臂設計
4．1 背景－飛機結構輕量化設計
EADS（歐洲航空防務及航天公司）是全球三個最大的航天集團之一。Eurocopter是EADS下屬的全資子公司，主要設計開發商用和軍用直升機，同時參與空中客車所有機型的艙門和整流罩的開發。
由于來自強勢客戶和業界本身競爭的壓力，飛機制造商們正在積極地尋求方法來降低飛機的結構重量，Eurocopter公司也不例外。為了滿足項目工期和復雜的、甚至苛刻的產品設計目標，Eurocopter公司在產品開發過程中積極采用基于Altair OptiStruct結構優化技術的設計流程。本案例著重講述這個流程的一個成功應用——重新開發一種質量更輕的艙門支撐臂。下圖所示是支撐臂在艙門中的位置和初始設計。
4．2 過程
設計過程分為概念設計和詳細設計共兩個階段：
《一》、概念設計階段的主要目的是得到艙門支撐臂的全新設計思路，這可以通過OptiStruct的拓撲優化技術實現。首先根據支撐臂的安裝位置、運動軌跡和連接關系確定設計空間，然后建立主要工況，包括艙門關閉、緊急打開和氣閥撞擊三種工況，將這些工況下的結構剛度指標作為設計約束。設計目標為重量最小。同時，在優化過程中考慮了拔模方向，以滿足鑄造工藝要求。根據OptiStuct給出的設計思路，設計工程師就可以初步設計出支撐臂的結構。
《二》、在詳細設計階段可以對初步設計模型進行進一步的優化，在滿足所有工況條件和最大許用應力水平的情況下，通過形狀和尺寸優化方法來優化加強筋的尺寸和形狀，以達到進一步優化結構、降低質量的目的。優化設計的最終結果減重達到了20%，設計周期從原來的三個月 縮短到現在的三個星期。
5. 小結
優化驅動的產品設計流程是一種革命性的設計理念，以Altair OptiStruct為代表的結構優化技術給了工程師真正的幫助，是整個設計過程的靈魂和驅動者。這一全新的設計流程由于在設計一開始就實現了優化設計，避免了在設計后期階段過多的反復，從而大大縮短了產品的設計周期。此外更重要的是，優化設計本身可以幫助尋找到更輕、同時性能更好的設計方案，在產品結構減重和自主創新領域都有非常重要的意義。
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