1 概述

    结构优化技术是当前CAE技术发展的一个热点，在学术研究领域，变密度法、均匀化法、水平集法以及各种准则法等百家争鸣。相关商业软件的开发也很快，比较知名的有美国Altair公司的OptiStruct，德国FE-DESIGN公司的Tosca，日本Quint公司的OptiShape，以及美国MSC公司的Nastran等。

    结构优化技术在工业界的应用也逐渐成熟。从行业角度来讲，从早期的汽车零部件轻量化设计和飞机机身机翼的板、杆、梁及蒙皮尺寸优化，迅速发展到汽车、飞机和船舶的结构布局优化，电子产品的结构件及连接优化，建筑物和土木工程的结构布置等。从性能的角度来讲，早期主要是考虑金属零部件的线性静态和模态性能指标，如应力、应变、位移、频率等，现在已经拓展到金属和复合材料零部件的振动噪声性能、碰撞安全性能、疲劳性能、动态激励下的性能等。下面以Altair OptiStuct为例介绍结构优化方法、功能及应用。

2 OptiStruct软件介绍

    OptiStruct是美国Altair公司的旗舰产品，是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法。

    OptiStruct采用密度法（SIMP）求解拓扑优化问题，基于数学规划法的优化框架，是目前公认最为稳健高效的方法，能够解决绝大多数工程问题。通过对中间密度单元进行惩罚，考虑各种加工制造约束，采用自适应步长及约束屏蔽等技术，确保工程师快速得到具有工程意义的优化结果。OptiStruct的优化求解流程如图1所示：

图1 OptiStruct的优化求解流程

    OptiStruct支持全面的优化类型，包括概念设计阶段的拓扑优化，形貌优化和自由尺寸优化，以及详细设计阶段的尺寸优化，形状优化和自由形状优化，如表1所示。

表1 OptiStruct支持的优化类型