尺寸优化&灵敏度分析
尺寸优化方法综述
尺寸优化方法综述Size optimization methods are crucial in various fields, including engineering, computer science, and manufacturing. These methods aim to reduce the size or dimensions of a product or system while maintaining or even improving its performance and functionality. 尺寸优化方法在各个领域都至关重要，包括工程、计算机科学和制造业。
这些方法旨在减小产品或系统的尺寸或尺寸，同时保持或甚至提高其性能和功能。
One commonly used size optimization method is topology optimization, which involves optimizing the material distribution within a given design space to achieve the best structural performance. Topology optimization algorithms iteratively remove material from non-critical areas and redistribute it to critical areas to achieve the desired objectives. 一个常用的尺寸优化方法是拓扑优化，这涉及优化给定设计空间内的材料分布，以实现最佳的结构性能。
拓扑优化算法通过迭代地从非关键区域移除材料，并将其重新分配到关键区域，以达到所需的目标。
Another approach to size optimization is shape optimization, which focuses on optimizing the geometric shape of a structure to improveits performance. Shape optimization methods involve modifying the geometry of a design to achieve desired outcomes such as reducing stress concentration, minimizing weight, or enhancing aerodynamic efficiency. 另一种尺寸优化的方法是形状优化，它着重于优化结构的几何形状以改善其性能。
尺寸不良改善方案
尺寸不良改善方案尺寸不良是指产品在生产过程中出现的尺寸偏差，导致产品无法达到预期的尺寸标准。
这种问题对于制造业而言是非常常见的，因此需要采取有效的改善方案来解决尺寸不良情况。
本文将介绍几种常用的尺寸不良改善方案。
一、工艺优化工艺优化是指通过调整生产工艺，使得产品的尺寸偏差最小化的方法。
具体来说，可以优化以下几个方面：1.材料选择：选择更合适的原材料，以减小其在加工过程中产生的尺寸变化。
2.工艺流程：优化工艺流程，确保每个环节的操作标准化，减少因操作不当而引起的尺寸偏差。
3.设备调整：对加工设备进行调整和维护，确保其工作精度和稳定性。
二、质量控制质量控制是通过对生产过程进行监控和调整，以确保产品尺寸在可接受范围内的方法。
以下是一些常用的质量控制手段：1.抽样检验：定期抽取样本进行尺寸检测，对于不良的产品及时发现并采取控制措施。
2.自动检测：引入自动检测设备，对产品进行实时监测，及时发现尺寸异常。
3.反馈机制：建立尺寸控制的反馈机制，及时调整工艺参数，纠正尺寸偏差。
三、员工培训员工培训是保证产品尺寸良好的关键环节。
通过培训，提高员工的专业知识和技能，确保其对尺寸控制的理解和操作能力。
以下是几个培训方面的建议：1.基础培训：包括产品尺寸标准的解读、尺寸测量方法和仪器的使用等方面的培训。
2.操作规范：制定尺寸控制的操作规范，确保员工在实际操作中能够按照标准进行。
3.技能提升：定期组织技能培训，提高员工对尺寸控制工艺的理解和应用能力。
四、持续改进尺寸控制是一个持续改进的过程，需要不断寻找和解决潜在的尺寸问题。
以下是几个持续改进的建议：1.数据分析：收集和分析生产过程中的数据，找出尺寸不良的根本原因，并采取相应的改进措施。
2.团队合作：建立跨部门的尺寸改进团队，促进各部门之间的合作和信息共享。
3.标准更新：随着技术的不断发展，及时更新产品尺寸标准，确保其与市场需求相符合。
总结：尺寸不良的改善方案包括工艺优化、质量控制、员工培训和持续改进等多个方面。
优化产品的重量和尺寸
优化产品的重量和尺寸是现代制造业中的重要课题，随着消费者对产品轻便、便携的需求不断增加，企业需要不断优化产品的重量和尺寸，以提升产品的竞争力和市场占有率。
本文将从产品设计、材料选择、制造工艺等方面探讨如何优化产品的重量和尺寸，以满足市场需求和提升企业竞争力。
一、产品设计产品设计是优化产品重量和尺寸的关键环节。
在产品设计阶段，设计师需要充分考虑产品的功能需求和市场定位，合理设计产品的结构和外形，以实现重量和尺寸的优化。
在产品设计中，可以采用以下几种方法来优化产品的重量和尺寸：1. 精简结构：通过精简产品的结构设计，减少不必要的部件和连接件，可以有效降低产品的重量和尺寸。
设计师可以采用模块化设计、集成设计等方法，将功能相似的部件合并在一起，减少产品的重复部件，从而降低产品的重量和尺寸。
2. 优化外形：合理设计产品的外形和曲面，可以减少产品的空间占用和重量。
设计师可以采用曲面设计、流线型设计等方法，减少产品的空气阻力和重量，提升产品的性能和外观。
3. 采用轻量化材料：在产品设计中，选择轻量化材料是实现产品重量和尺寸优化的有效途径。
设计师可以选择高强度、高韧性的轻量化材料，如碳纤维复合材料、铝合金等，以替代传统的重量较大的材料，从而降低产品的重量和尺寸。
二、材料选择材料选择是影响产品重量和尺寸的重要因素。
在产品制造过程中，选择合适的材料可以有效降低产品的重量和尺寸，提升产品的性能和竞争力。
在材料选择方面，可以采用以下几种方法来优化产品的重量和尺寸：1. 选择轻量化材料：在材料选择中，优先选择轻量化材料是实现产品重量和尺寸优化的关键。
设计师可以选择密度低、强度高的轻量化材料，如碳纤维复合材料、镁合金等，以替代传统的重量较大的材料，从而降低产品的重量和尺寸。
2. 优化材料性能：在材料选择中，设计师还需要考虑材料的性能和成本。
选择具有优良性能和适合产品需求的材料，可以有效提升产品的性能和竞争力。
设计师可以选择具有高强度、高韧性、耐磨性等优良性能的材料，以满足产品的功能需求和市场需求。
abaqus尺寸优化
Abaqus中优化有拓扑优化、形状优化和尺寸优化。
（本文尺寸优化只用于abaqus6.13版本以上（包括6.13版本），因为在6.13版本abaqus才加入尺寸优化这个模块）前两种优化目前可以参考江丙云的那本书书中对前两种优化讲的很详细。
而尺寸优化目前所有abaqus书籍中都没有写关于尺寸优化的内容，但是在6.13版本以上的abaqus官方英文帮助手册里有尺寸优化的相关理论，英文好的可以自学，很简单，在帮助手册中只有两个尺寸优化的例子，一个是控制臂，另一个是车门，如下面两张图所示，你们可以自己在帮助手册里找到这两个例子的inp文件，下载下来自己在abaqus中分析一下。
尺寸优化只对壳单元进行优化，而其他单元例如实体单元会被忽视掉不优化，尺寸优化就是变化壳单元的厚度。
下图是自带的两个例子图（1）控制臂图（2）车门下面是尺寸优化的流程1.创建尺寸优化job （即点击sizing optimization，各选项参数参考《Abaqus中Topology和Shape 优化指南》说明）2.创建设计响应（设计响应就是接下来的目标函数和约束条件需要用到的所有变量都需要在这里进行创建，这些创建好的设计响应全都是用于接下来的目标函数和约束条件）3创建目标函数（选择2中的某个响应作为目标函数，注意目标函数不是随意定的，是有限制的4.创建约束条件（选择2中的某些响应作为约束，同样不是所有对象都能作为约束，参考江丙云的书中优化模块）5.创建尺寸约束（这里是最重要的地方，thickness control 是用于定义优化区域的壳单元厚度变化范围，例如定义set-1集合的壳单元厚度为1-3mm，若模型中有多个优化区域就需要分别使用thickness control功能对不同优化区域定义壳的厚度；下面的那个cluster area 功能是让优化区域优化后厚度保持一致，例如例如对set-2区域定义cluster area ，假设它原先厚度为3mm，优化后厚度为1mm，那么整个set-,2区域优化后所有单元的厚度都是1mm，若不设置cluster area 则该区域的单元厚度是不相同的，可能有的单元1mm，有的单元是2mm或者其他厚度，而实际中我们都希望某块板的厚度优化后，厚度保持一致，这样好加工，所以这个功能的价值就体现在这里，这个功能非常重要。
芯片制造中的尺寸分析与优化
芯片制造中的尺寸分析与优化芯片制造是现代科技发展的重要基石，而其中的尺寸分析与优化则是确保芯片性能和质量的关键环节。
本文将探讨芯片制造中的尺寸分析与优化的重要性，并介绍一些常用的方法和技术。
一、尺寸分析的重要性在芯片制造过程中，尺寸是一个至关重要的参数。
芯片的尺寸决定了其电子元件的布局和连接方式，进而影响芯片的性能和功耗。
因此，通过对芯片尺寸的准确分析，可以帮助制造商在设计和制造阶段发现并解决潜在的问题，提高芯片的可靠性和性能。
同时，由于芯片制造涉及到复杂的制造工艺和机器设备，其中的一些误差和变化不可避免。
通过对芯片尺寸进行分析，可以识别和了解这些变化，并采取相应的措施来优化制造过程，提高芯片的一致性和稳定性。
二、尺寸分析的方法和技术尺寸分析通常使用一系列的测试方法和技术来获取准确的尺寸数据。
以下是一些常用的方法和技术：1. 光学显微镜：光学显微镜是一种常用的尺寸分析工具，它可以通过放大物体并观察其外观来测量芯片的尺寸。
2. 扫描电子显微镜（SEM）：SEM是一种使用电子束而不是光束的显微镜，相比光学显微镜具有更高的分辨率和放大倍数。
通过SEM可以获取更准确的尺寸数据，并观察芯片的表面结构和形貌。
3. 原子力显微镜（AFM）：AFM通过探针与样品表面的相互作用来测量尺寸和形貌。
由于其高分辨率和三维测量的能力，AFM在芯片制造中具有重要的应用价值。
4. X射线衍射：X射线衍射可以非常精确地测量晶体的晶格常数和晶体结构，对于分析芯片中的晶体尺寸和取向非常有帮助。
除了以上的方法和技术，还有一些计算机模拟和数值分析的方法可以用来预测和优化芯片的尺寸和性能。
这些方法通常基于物理模型和数学算法，可以在设计阶段就对芯片进行尺寸优化，减少实际制造过程中的试错成本。
三、尺寸优化的目标和方法尺寸优化的目标是通过改变芯片的尺寸和设计参数，以提高芯片的性能、功耗或其他关键指标。
以下是一些常用的尺寸优化方法：1. 多目标优化：多目标优化方法考虑了多个关键指标之间的权衡和平衡，通过在设计空间中搜索最优解来实现全面的尺寸优化。
尺寸优化
本公式可用来求 解位移对设计变 量的灵敏度
灵敏度分析
Sensitivity Analysis 公式推导过程
4、将上式，用全微分的形式表示
i
F K 1 1 xi K xi K F K xi xi i xi
1
5、由于载荷向量F并不随设计变量的变化而变化，故△F=0，所以， K
K
6、于是，目标函数或约束等有关节点位移函数的性能参数对设计变量 xi的灵敏度可由下式求出
T j xi
Tj xi
T j X 0 xi , 0 T j ( X 0 , 0 ) xi
尺寸优化流程 尺寸优化面板介绍&定义优化设计变量 响应面板介绍&常用优化响应的含义 约束面板介绍&设置优化约束 目标面板介绍&设定优化目标 实例《焊接支架尺寸优化及灵敏度分析》
1、尺寸优化流程
原始设计静力分析 定义尺寸优化变量 关联设计变量及属性 定义响应
优化结果处理
优化计算
定义目标
定义约束
将设计变量与某单元、组、属性或材料关联一起，建立他们之间的关系。 单元 组 属性 材料
关联名称
设计变量
2.2.4、Function relationship函数关联
关联名称
单元 组 属性 材料
输入函数
3、响应面板介绍&常用响应的含义
3.1、进入响应面板
响应
3.2、响应面板
响应名称 响应类型
CAE优化设计 ---尺寸优化&灵敏度分析篇
开发管理部
苏新涛
产品尺寸问题梳理流程及改善措施
产品尺寸问题梳理流程及改善措施下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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机械设备尺寸精度分析与优化设计
机械设备尺寸精度分析与优化设计引言：现代机械设备是工业生产的重要基础，广泛应用于各个领域。
而机械设备的性能往往与其尺寸精度密切相关。
本文将对机械设备尺寸精度的分析与优化设计进行探讨，希望可以为相关领域的从业者提供一些参考与思路。
一、尺寸精度的重要性机械设备尺寸精度是指设备所具备的尺寸测量结果与真实尺寸值之间的偏差。
尺寸精度的好坏直接影响到机械设备的性能表现。
如果尺寸精度过低，可能导致设备在工作中出现不良的运转现象，甚至产生危险。
因此，对机械设备的尺寸精度进行分析与优化设计是非常重要的。
二、尺寸精度分析的方法针对机械设备的尺寸精度分析，可以采用多种手段。
以下将介绍几种常用的方法。
1. 数据分析法数据分析法是通过收集和分析设备运行过程中产生的数据，对尺寸精度进行评估。
通过对数据的统计处理，可以得到设备尺寸的分布情况和偏差程度。
这可以帮助工程师了解设备的尺寸精度状态，为后续的优化设计提供依据。
2. 直观比较法直观比较法是通过对比设备尺寸与其要求尺寸之间的关系，进行尺寸精度的评定。
工程师可以通过使用测量工具，将设备的尺寸与标准尺寸进行对比，从而得出设备的尺寸精度。
这种方法的优点是直观简单，但是对于精度要求较高的设备来说，可能难以有效评估尺寸精度。
三、尺寸精度优化设计在进行机械设备的尺寸精度优化设计时，需要考虑多个因素，包括材料、制造工艺以及使用环境等。
1. 材料选择材料的选择对于机械设备的尺寸精度具有重要影响。
应当选择具备高强度、低热膨胀系数和稳定性较好的材料。
这样可以降低由于材料热胀冷缩造成的尺寸变化。
2. 制造工艺制造工艺是确保机械设备尺寸精度的重要因素之一。
在制造过程中，应当采用先进的工艺设备和精益化的生产流程，以保证设备的尺寸精度。
同时，在加工过程中应注意加工方式和加工工序的合理搭配，避免尺寸误差的累积。
3. 使用环境机械设备在不同的使用环境下，受到的温度、湿度等因素的影响也不同。
因此，在设备的尺寸精度优化设计中，应该充分考虑使用环境对设备尺寸的影响，并采取相应的措施进行调整。
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开发管理部
苏新涛
2010-02-05
主要内容
• • • 尺寸优化&灵敏度分析基本概念 尺寸优化&灵敏度分析在汽车行业中的应用 尺寸优化&灵敏度分析
拓扑优化流程 拓扑优化面板介绍&定义优化设计变量 响应面板介绍&常用优化响应的含义 约束面板介绍&设置优化约束 目标面板介绍&设定优化目标
将设计变量与某单元、组、属性或材料关联一起，建立他们之间的关系。 单元 组 属性 材料
关联名称
设计变量
2.2.4、Function relationship函数关联
关联名称
单元 组 属性 材料
输入函数
3、响应面板介绍&常用响应的含义
3.1、进入响应面板
响应
3.2、响应面板
响应名称 响应类型
创建设计变量 更新设计变量 一般性关联 函数关联
2.2.1、Desvar设计变量 设计变量名称 初始值 设计变量设定 下限值 上限值
2.2.2、Create/Update创建/更新
创建/更新设计变量名称、 设计变量设定、一般性关联、 函数关联等
设计变量增量
2.2.3、Generic relationship一般性关联
优化设计
静力分析
优化前后结构性能对比
试验验证
尺寸优化流程
2、尺寸优化面板介绍&定义优化设计变量
2、1、进入优化面板
多种结构优化 响应 约束 目标 变量关联 优化控制 …… 拓扑优化 形貌优化 尺寸优化 响应 约束
自由尺寸优化 自由形状优化
形状优化
目标
2.2、进入尺寸优化面板
尺 寸 优 化 面 板 功 能
Cw wi ci 1 wi uiT f i 2
这是个全局响应，被定义在整个结构中。
3.4.10Weighted Freq加权特征值倒数响应 加权特征值倒数是在典型的拓扑优化中考虑多个频率的一种方法，该响应被认为是在优化过程中将单个模态的倒数累加的和。
f w wi i
本公式可用来求 解位移对设计变 量的灵敏度
灵敏度分析
Sensitivity Analysis 公式推导过程
4、将上式，用全微分的形式表示
Байду номын сангаас
i
F K 1 1 xi K xi K F K xi xi i xi
分配到子程序
3.4.6Frequency频率、Buckling屈曲响应 固有频率是模态分析的结果，必须分配到模态模型的子程序中。 屈曲是稳态分析的结果，必须分配到屈曲子程序中，屈曲模型通过特征值来描述。 3.4.7Static Stress应力、Static Strain应变、Static Force力响应 不同的应力、应变或力类型能够作为响应被定义。 被定义成组、属性或单元，单元应力或应变被使用，约束放映被应用。 在拓扑设计空间中定义应力、应变或力约束是不可能的，这是个关联的局部子程序响应。 3.4.8Composite Stress合成应力、Composite Strain合成应变、Composite Failure合成破坏准则响应 不同的合成应力、合成应变或合成破坏准则类型能够作为响应被定义。 被定义成Pcomp组、属性或单元，Ply level results被使用，约束放映被应用。 在拓扑设计空间中定义合成应力、合成应变或合成破坏准则约束是不可能的，这是个子程序关系响应。 3.4.9Weighted Comp加权柔度响应 加权柔度是在典型的拓扑优化中考虑多个子程序的一种方法，这种响应是每个子程序中柔度的加权和。
Contents
•
实例&汽车控制臂拓扑优化
尺寸优化
Size Optimization
是发展比较成熟的一种优化方法 属于参数优化
主要是通过参数调节如改变壳的厚度、梁的横截面参数、弹性和质量属性以及复合材料的铺层厚度和角度等
通过合理分配各个构件的这些属性，从而改善结构的特性如降低设计重量、减小应力、提高刚度等 对于优化效果的验证快速、明显，在优化中所起的作用非常重要 很大程度解决了离散性优化这一工程难题
3.4.3Cog重心、Inertia惯性矩响应 对于单个属性和材料，或者对于这个集合的属性和材料，这两个全局响应都可以在整个结构中被定义。 3.4.4Compliance柔度响应 柔度是结构的应变能，被认为恒量结构刚度的尺度。
1 T u f 2 柔度C通过使用下面的关系计算： Ku f C 1 1 C uT Ku T dV 2 2
4、约束面板介绍&设置约束
4.1、进入约束面板
约束
4.2、约束面板
约束名称 约束的上下限 响应
5、目标面板介绍&设置目标
5.1、进入约束面板
目标
5.2、约束面板
响应 目标值的Max、Min
控制卡片
5、控制卡片设置
5.1、进入控制卡片
5.2、控制卡片类型（共计78个） 分析类型、加速度、速度、应力、应变、单元力、节点力、反作用力、位移等等
和
K i M Ui 0
这是个全局响应，被定义在整个结构中。 对目标函数增加低阶频率的模态的做法比增加高阶模态的频率的做法有更大的影响。 如果所有模态只是简单地加在一起，在OptiStruct软件中增加高频比增加低频时产生更大的影响。
3.4.11Composite Index合成柔度指数响应
尺寸优化流程 尺寸优化面板介绍&定义优化设计变量 响应面板介绍&常用优化响应的含义 约束面板介绍&设置优化约束 目标面板介绍&设定优化目标 实例《焊接支架尺寸优化及灵敏度分析》
1、尺寸优化流程
原始设计静力分析 定义尺寸优化变量 关联设计变量及属性 定义响应
优化结果处理
优化计算
定义目标
定义约束
对于各个属性和材料或者对于单元组属性和材料能被定义到整个结构中。 柔度必须分配到子程序中（譬如载荷步、载荷工况）。 为了约束包含许多属性的区域柔度，需要定义这些属性单元的柔度总和，否则约束将被假定应用到这个区域中的单个属性中。 通过对所有的属性使用相同的材料并用柔度来约束这些材料。 3.4.5Static displacement位移响应 位移是一个线性静力分析结果。 节点位移可以通过一个响应被选择，可以作为一个向量方向或纯粹的尺寸来被选择。 位移必须分配到子程序中（譬如载荷步、载荷工况）。
在典型的拓扑优化中，合成柔度指数是一种将多个频率和静态子程序的结合，其指数的定义为：
S wi ci NORM
w w
j j
j
标准系数NORM使用柔度和特征值规范中的数值，一个典型的柔度值在1.0E4到1.0E6之间，然而一个典型的特征值的倒数约 是1.0E-5，如果不使用NORM系数，则整个求解过程显示为线性静态柔度。 NORM值通过公式 NORM Cmax min 得到，其中 Cmax 是所有子步中最大的柔度值, min 是性能指标中最小的特征值。 在一个新的设计问题中，用户对NORM值没有一个可靠的估计，如果遇到这种情况，OptiStruct就会根据初始步中计算的柔度 值和特征值来自动计算NORM值。 这是个全局响应，被定义在整个结构中。
是以建立结构准确的有限元模型和优化问题合理的数学模型为基础的；
j Sen( ) 是分析结构性能参数Tj对结构设计参数xi变化的敏感性，即：
T
T j xi
xi
灵敏度的数值可以反映结构各设计变量对结构性能的影响；
公式推导过程
1、在有限元线性静态的优化分析中，约束和目标函数均有可能是静力平衡方程位移解的响应，即为 T T ( ) 而位移是设计变量的隐函数， 记为 ( X ) ，则
在汽车行业中的应用
国内某汽车公司运用该项优化技术以实现维持原有车架结构“1st自然频率”性能、减少结构质量的目的。
设计变量（mm） 第一横梁 第二横梁 第三横梁 第四横梁 第五横梁 第六横梁 第七横梁 第八横梁 目标函数（Kg） 约束变量（Hz）
车架结构灵敏度分析
优化前 初始值 6.0 6.0 5.0 6.0 6.0 8.0 6.0 8.0 下限值 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 1314 9.49 上限值 9.0 9.0 9.0 9.0 9.0 9.0 9.0 9.0
灵敏度
6、实例&焊接支架尺寸优化及灵敏度分析
帮助文档文件路径
install_directory>/tutorials/hwsolvers/optistruct/ The bracket_size.hm 尺寸优化问题描述:
3.3、响应类型（28种）
3.4、常用响应类型的含义
3.4.1mass质量、volume体积响应
对于单个属性和材料，或者对于这个集合的属性和材料，这两个全局响应都可以在整个结构中被定义。
在形貌优化中并不推荐使用质量和体积作为约束和目标函数，因为它们对设计修改都没有很高的灵敏度。 为了约束包含许多属性的体积区域，需要定义这些属性的总和，否则这个约束将被假定应用到这个区域中的单个属性。 通过对所有的属性使用相同的材料并将这个体积约束应用到这个材料上。 3.4.2massfrac质量分数、volumefrac体积分数响应 这两个全局响应值的变动范围是从0到1，描述了在拓扑优化中的初始设计空间的分数。 它们能够对整个结构、个别属性和材料或多个集合的属性和材料进行定义。 质量分数和体积分数之间的不同之处在于质量分数包括了计算非设计空间的质量分数，而体积分数仅仅考虑了设计的体积。 体积分数=（当前总体积-初始非设计体积）/初始总体积 质量分数=当前总质量/初始总质量 如果在一个拓扑优化之外又执行了尺寸和形状优化，参考值并不因尺寸和形状变化而改变，在这种情况下可能会导致响应的 负值出现，这将忽略这些响应。 如果在拓扑优化中涉及到尺寸和形状优化，推荐使用质量或体积响应来代替质量分数或体积分数。 为了约束包含许多属性的体积区域，需要定义这些属性的总和，否则这个约束将被假定应用到这个区域中的单个属性。 通过对所有的属性使用相同的材料并将这个体积约束应用到这个材料上。 质量分数或体积分数响应仅仅能被应用于拓扑优化设计领域，否则，OptiStruct将因出错而终止。