輕量化設計是結構設計中永恒的話題，以汽車為例，不僅傳統的燃油車要考慮燃油經濟型，要考慮碳排放是否超標，新能源汽車出于對續航里程的考慮也必須將輕量化做到極致。若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%，汽車整備質量每減少100公斤，每公里CO2排放量將減少8.5kg，同樣在航空航天工業飛速發展和傳統裝備制造業同質化競爭加劇的今天，新產品總體性能的提升、生產成本的降低以及研發周期的縮短等成為設計人員不懈追求的目標。
傳統輕量化設計大多是基于經典結構的等效替換，通過新工藝、新材料等精益改善和挖掘結構潛能，現已趨近“天花板”。
傳統的結構輕量化多依賴工程師的經驗設計，在設計改進后進仿真或實驗驗證進行重復修改迭代循環以趨近目標。優化設計結果要能夠直接應用于工程生產實際還需要考慮產品應力、工程特征、制造工藝條件等，周期長，成本高且實現困難。
對此我們引入拓撲優化技術和先進的優化工具，通過定義材料屬性、載荷工況與約束條件，尋求給定設計域內材料的最優分布形式，在前期設計階段大幅度縮短項目的開發周期，并在滿足性能目標的前提下使得結構設計最優。
為滿足工程實際的需要在結構拓撲優化設計中同時施加應力約束、工程特征約束和制造工藝約束等，如把槽孔、耳片、接頭、凸臺等這些滿足裝配需求和連接要求的工程特征考慮在拓撲優化設計中，以避免后續人為地添加這些特征。在保證優化結果基礎上引入了最大/最小尺寸、拔模方向、模式重復、模式組、擠壓約束等生產制造約束以適應實際生產。
現已應用于航空航天、汽車制造等領域。例如，應用填充微觀點陣結構的衛星支架多尺度拓撲優化設計，使衛星支架減重 17% ，動態響應減少 25% ；考慮切口、保持傳統鈑金輪廓的渦輪發動機支架的拓撲優化設計，使發動機支架減重2 5 %，考慮增材制造工藝，擴大設計空間的拓撲優化設計，使發動機支架減重6 6 %，最大位移減少約5 0 %；由3 0 多個單獨部件組成的穩定器前翼梁支架，應用拓撲優化一體化設計，成功實現前翼梁支架減重3 0 %，顯著改善結構性能，提升加工效率。
精沖壓力機機架減重優化
某公司生產的12000 kN精沖壓力機機架。該機架采用不同厚度（30 mm~390 mm）的Q235-A鋼板焊接而成，并采用整體退火處理。機架要承受全部的工作載荷，因此其機械性能直接影響整機的工作性能；另一方面，機架體積大、耗材多，通常重量占整機重量的60%左右，其結構輕量化對于整機的輕量化、減少生產和運輸成本具有重要意義。因此，有必要對精沖壓力機機架進行結構優化設計。
為保證精沖壓力機的工作精度，一般情況下機架應滿足以下性能要求：
1）具有較好的結構強度，最大工作應力應在許用應力范圍內；
2）具有較好的整體剛度，整體剛度可以用額定載荷下的結構應變能或柔度（Compliance）來衡量；
3）具有足夠的局部剛度，即受力面和導向面（如圖1c所示，由于對稱性，只標出兩個導向面位置）的變形要在指定范圍之內；
4）具有良好的動態特性，要求機架的固有頻率遠離激振頻率，以避免共振。
優化流程詳情：
總結：
1）基于所提出的兩步拓撲優化方法對12000 kN精沖壓力機機架進行了結構優化設計，得到了新的機架結構形式，且優化后的機架結構與原始機架結構相比，在綜合性能提高的情況下，體積（或重量）減少了13.66%，成功實現了輕量化；
2）通過分析優化后機架的結構特點，得到兩個結論：第一是機架頂部設計為圓弧形，有利于在保證機械性能的前提下，節省材料、降低生產制造成本；第二是材料分布靠近約束部位、重心低，有利于提高結構的動態性能。
汽車、航空航天、裝備制造、家電、工程機械等制造業的結構部件優化，輕量化設計。
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