自由尺寸優化
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
自由尺寸優化的視頻教程
DTAS 3D尺寸公差分析及尺寸鏈計算軟件Python腳本自動化自定義測量，突破軟件限制,實現建模自由！
摘要：公差分析軟件、尺寸鏈計算、尺寸公差分析、公差仿真分析、尺寸工程、尺寸鏈校核 在上期內容中，我們對DTAS Python腳本自動化建模-專治建模界的 "二高" 問題（高重復、高耗時）進行了深入探討。
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OptiStruct梁單元截面尺寸優化
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自由尺寸優化的實例教程
拓撲優化：拓撲優化是一種在設計中尋找最佳材料分布的方法。
它通過改變材料在結構中的分布，以最小化結構的質量（或體積分數）并滿足特定的性能要求。在汽車輕量化中，拓撲優化可以用來確定哪些部分需要加強，哪些部分可以減輕以降低整體重量，同時保持結構的強度和剛度。
形狀優化：形狀優化關注的是在給定的幾何形狀內，調整結構的形狀以優化性能。這可能涉及到改變零部件的曲率、截面形狀或其他幾何參數。在汽車輕量化中，形狀優化可以用來改進零部件的空氣動力性能、減少空氣阻力或改善碰撞安全性。
形貌優化：形貌優化通常與曲面設計相關，它著重于調整曲面的形狀以滿足特定的外觀、空氣動力性能或其他要求。在汽車設計中，形貌優化可以用來打造更具吸引力的外觀，同時確?？諝鈩恿W效率。
自由尺寸優化：自由尺寸優化是一種更靈活的方法，它允許在優化過程中改變零部件的尺寸和形狀，而不受固定的幾何約束。這種方法通常需要高級的優化算法來找到最佳解決方案。在汽車輕量化中，自由尺寸優化可以用來創造創新的設計，以滿足復雜的性能目標。
尺寸優化：尺寸優化涉及到優化零部件的尺寸（厚度），以滿足性能要求。這可以包括增加或減小零部件的尺寸，以改善強度、剛度、耐久性等方面的性能。在汽車輕量化中，尺寸優化可以幫助設計更輕、更緊湊的零部件。
拓撲優化通常是優化的第一個階段，因為它確定了結構中哪些部分需要被優化。形狀優化通常在拓撲優化之后進行。拓撲優化確定了哪些區域需要被優化，而形狀優化則在這些區域內進行形狀的調整。形貌優化通常是在形狀優化之后進行的。
形狀優化確定了結構的內部幾何形狀，而形貌優化則在這個基礎上進行外部形貌的調整。尺寸優化可以在拓撲優化和形狀優化這兩個階段之間或之后進行。自由尺寸優化可以在其他優化方法可以在優化過程中的任何時候進行。
展開 因此本次優化作品對某汽車B柱外板進行自由尺寸優化。
B柱靜力學分析
B柱的作用除了起支撐外，還主要承受汽車側面的碰撞保護行人的安全，因此對B柱的抗彎性進行分析極為重要。本作品以固支梁的形式，如圖1所示，兩端固定，在B柱外板中間施加1200N 的均布載荷，進行分析再對其進行優化。
圖1 受力模型
B柱外板總厚度為2.4mm，一共鋪設8層CFRP，每層后0.3mm，鋪層角度順序為[0°/90°/45°/-45°]2，如圖2所示，CFRP 的材料屬性見圖3。
圖2 鋪層設置
圖3 材料屬性
求解得到圖4的位移云圖，發現最大位移再邊緣處為3.142mm。
圖4 位移云圖
2.優化設計
本作品以質量最小為優化目標，約束條件為最大位移為3mm，對復合材料鋪層厚度進行優化。在optimization界面里free size里設計變量，設置最小成員尺寸為5mm，設置每層的厚度為最小為0.2mm，每層百分比范圍在10%~60%之間，±45°層設置對稱平衡設置，如圖5所示。圖6、7為約束和目標的設置。
展開 3.4 厚度自由尺寸優化
由于擠出工藝可以允許不均勻壁厚，因此可以將薄壁件劃分為不同區域，通過設定不同區域的厚度來實現最佳剛質比，但問題是如何將整個部件合理劃分區域？借助自由尺寸優化方法，可以得到合理的壁厚分區，用于下一步尺寸優化。
自由尺寸優化將所有單元的厚度作為設計變量，通過優化，可以得到各區域的厚度值，為下一步設計提供參考。
設計變量：設計域的面單元屬性；
優化目標：模型質量最??；
約束條件：外邊緣踩踏工況的最大變形量；
通過自由尺寸優化計算，導入優化結果，得到如下圖所示的厚度分區，符合力學原理，左端根部約束區域厚度較厚，左端懸臂支撐區域厚度也比較厚。
圖5 自由尺寸優化結果
3.5 厚度尺寸優化
考慮實際擠出工藝，將整個產品離散為如下圖所示的25塊均勻的區域，以這25塊區域的壁厚作為尺寸變量，通過尺寸優化方法求解最佳的壁厚分布。
圖6 壁厚離散化
設計變量：25塊區域的厚度，25個設計變量；
優化目標：模型質量最??；
約束條件：外邊緣踩踏工況的最大變形量；
通過尺寸優化計算，導入優化結果，得到如下圖所示的厚度分區，與自由尺寸優化結果類似，從側面映證了優化結果的合理性。
展開 綜上所述，該款車門從結構角度和材料替換角度存在優化空間。
3 碳纖維復合材料車門的結構優化設計
采用自由尺寸優化、尺寸優化以及鋪層順序優化，具體的優化設計方案流程如圖3所示。
圖3 復合材料車門優化設計方案的流程圖
其中，約束條件為在4種工況下受力之后最大變形不超過10 mm；目標函數選擇為車門所有零部件的質量最小化；設計變量為鋪層的局部厚度。
3.1 自由尺寸優化
通過自由尺寸優化對車門進行初步優化，形成設計優化方向。相比其他優化方式，自由尺寸優化消耗的時間更短，并且不會改變車門的三維結構，能夠在滿足約束條件的前提下，最大限度地減輕整體質量。設計變量設定為每個板件的厚度，約束條件根據前文中傳統鋼制車門的靜力學分析結果，設定為Z方向上位移最大為±8.5 mm，取1.5 mm的裕度是為之后的進一步優化做鋪墊，使車門始終滿足最低的剛度要求。
第1階約束模態頻率為44.93 Hz，符合工程要求。優化后的最大厚度出現在鉸鏈加強板位置，車門內外板的中心面則普遍厚度大幅度下降，很多呈現厚度為1 mm。而窗框的上沿和車門底端則一部分厚度為4 mm左右，符合之前的分析結果。
考察自由尺寸優化后的復合材料車門靜力學特性，最大的位移變形出現在上部扭轉工況中的車門外板下沿位置，數值為8.097 mm，小于最大的限制位移8.5 mm。
3.2 尺寸優化
尺寸優化是對模型具體細節參數的優化，在不改變模型形狀和連接方式的基礎上修正厚度、長寬等尺寸，使有限元分析結果能夠滿足靜力學和模態頻率要求。
對自由尺寸優化后的迭代結果進行尺寸優化，車門的最大厚度在自由尺寸迭代結果的基礎上由10.7 mm減少到6.718 mm。
展開 圖 1 整流罩模型
表 1 單層板材料屬性
圖 2 負載和邊界條件
3優化設計
3.1第一步：概念設計-自由尺寸優化
在自由尺寸優化中，優化設置如下：
（1) 目標函數：最小化兩種載荷工況的加權柔度；
（2) 約束：體積分數<0.3；
（3) 設計變量：每個方向鋪層厚度；
（4) 考慮的制造工藝約束包括：
a) 0度鋪層百分比80%；
b) 各個方向鋪層厚度不能小于真實單層板厚度（0.1mm）；
c) +45°/-45°度均衡鋪層。
自由尺寸優化目標函數迭代曲線如圖 3所示，從中可以看出，經過9步迭代計算后達到收斂。優化后單元總厚度如圖 4所示，從中可以看出最厚處為5.95mm；4個纖維方向厚度分布如圖 5至圖 8所示，根據結果云圖來看，90°;鋪層最厚，+45°/-45°厚度相同，滿足均衡鋪層要求，0°鋪層最薄。自由尺寸優化之后，根據優化結果創建下一步優化用的有限元文件，包括優化后的剪裁形狀、鋪層厚度等信息，每個鋪層角度分為4個鋪層。
圖 3目標函數迭代曲線（加權柔度）
圖 4 自由尺寸優化后單元總厚度
圖 5 自由尺寸優化后0°鋪層厚度
圖 6 自由尺寸優化后45°鋪層厚度
圖 7 自由尺寸優化后-45°鋪層厚度
圖 8 自由尺寸優化后90°鋪層厚度
3.2第二步：詳細厚度調整-鋪層厚度尺寸優化
第二步進行尺寸優化，對上一步各個角度鋪層厚度進行微調。在實際設計中，這一步還應當考慮強度和穩定性的約束條件，在本問題中，增加了固有頻率和最大應變約束條件。
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頂尖優化：設計創新，輕量化與性能最大化
OptiStruct 作為行業黃金標準，提供拓撲、形貌、尺寸、形狀、自由尺寸全類型優化技術。
在OptiStruct中進行電池包殼體尺寸優化，需結合參數化建模、載荷工況定義、約束設置和優化目標，實現輕量化與結構性能的平衡。以下是詳細流程和關鍵要點：
一、優化流程
1. 前處理：參數化建模
· 設計變量：將殼體關鍵區域厚度設為變量。
· 非設計區域：固定螺栓孔、密封面等區域厚度。
電池包殼體尺寸優化設計空間與非設計區域顯示如圖1所示，藍色為非設計區域，紅色為設計區域：
<p class="ql-align-justify">*本文投稿自工程機械制造行業用戶張俊</p><p><br></p><p><br></p><p>車架是起重機三大結構件之一，其剛度、強度性能對起重機的吊載性能、可靠性、安全性有著至關重要的作用。大量研究表面，汽車燃油消耗的50%是由整車重量引起的，整車重量每降低10%，燃油經濟性可提高3.8%。輕量化設計是指在保證其基本性能的情況下，盡可能提高材料利用率
*本文投稿自工程機械制造行業用戶張俊
車架是起重機三大結構件之一，其剛度、強度性能對起重機的吊載性能、可靠性、安全性有著至關重要的作用。大量研究表面，汽車燃油消耗的50%是由整車重量引起的，整車重量每降低10%，燃油經濟性可提高3.8%。輕量化設計是指在保證其基本性能的情況下，盡可能提高材料利用率，將重量做到最低，這是降低成本節約能耗的重要手段之一。
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復合材料建模完成后，第一步進行自由尺寸的優化，得到復材鋪層形狀；第二步尺寸優化，優化出來每個鋪層的厚度；</p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6zFQr1fOR9pthUTU9k2SgNfxtpXlWEYn1IbExeuQNE4jx4FFvdnniaicic1sErYOCn2qYyUNoJxa1Heg
What is FRED？
■ 光機系統一體的設計分析工具
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Introduction
自由曲面
摘要：本研究旨在解決機械臂在復雜環境中避障路徑規劃的問題。本文提出了一種利用粒子群優化算法（PSO）進行機械臂避障規劃的方法，通過建立機械臂的運動模型，將避障問題轉化為優化問題。PSO算法通過模擬群體中個體的社會行為和個體行為來尋找到最佳路徑，確保機械臂在避開障礙物的同時，能夠高效地到達目標位置。研究表明，基于PSO算法的避障規劃在收斂速度和路徑優化上具有良好的性能，能夠有效提高機械臂的操作效率和安全性
自由尺寸優化：自由尺寸優化是一種更靈活的方法，它允許在優化過程中改變零部件的尺寸和形狀，而不受固定的幾何約束。這種方法通常需要高級的優化算法來找到最佳解決方案。在汽車輕量化中，自由尺寸優化可以用來創造創新的設計，以滿足復雜的性能目標。
尺寸優化：尺寸優化涉及到優化零部件的尺寸（厚度），以滿足性能要求。這可以包括增加或減小零部件的尺寸，以改善強度、剛度、耐久性等方面的性能。
3 碳纖維復合材料車門的結構優化設計
采用自由尺寸優化、尺寸優化以及鋪層順序優化，具體的優化設計方案流程如圖3所示。
圖3 復合材料車門優化設計方案的流程圖
其中，約束條件為在4種工況下受力之后最大變形不超過10 mm；目標函數選擇為車門所有零部件的質量最小化；設計變量為鋪層的局部厚度。
3.1 自由尺寸優化
通過自由尺寸優化對車門進行初步優化，形成設計優化方向。
Optistruct 支持優化分析類型有拓撲優化，尺寸和自由尺寸優化，形狀和自由形狀優化。這里我就主要講講拓撲優化，其他優化類型要是有時間再單獨拿出來說。拓撲優化是目前比較新穎的一種結構優化技術，實質是在給定的優化空間內，根據確定的邊界條件，找到滿足各種性能指標的最佳傳力路徑，從而獲得質量最輕，用材最少的結構。
