計算機的出現(xiàn)給社會、科技、生產的發(fā)展帶來了深刻的變革，同時也為工程結構的設計、制造提供了強有力的工具，可以毫不夸張地說，現(xiàn)代社會已離不開計算機了。汽車工業(yè)是科技含量很高的高技術產業(yè)，目前各生產、設計部門都非常重視技術改造、注重在設計、制造過程中采用先進的計算機技術，以提高設計、制造質量。汽車設計的過程為①提出設計方案；②對設計方案進行分析、計算、修改；⑧將經過分析、計算、修改的設計方案繪成設計圖紙這樣三個過程。在這三個階段中應用計算機技術就是計算機輔助設計(簡稱CAD)，在以上三個階段中，決定產品設計質量的關鍵還是前兩個過程，因此在產品的設計和計算階段采用計算機技術是非常必要的。在汽車結構設計中所采用的計算機分析計算和設計方法是有限元分析及結構優(yōu)化設計，這都是近幾十年發(fā)展起來的新的計算方法和技術，由于可以解決以往用手工計算所根本無法解決的間題，并且可以給企業(yè)帶來巨大的經濟效益和社會效益，因此這也是許多進行企業(yè)技術改造的重要方面。
       實際工程結構基本上都是復雜的超靜定結構，要進行其結構強度分析、求得各點處的應力和應變，依靠傳統(tǒng)的手工計算幾乎無法實現(xiàn)。由于工程設計的迫切需要，計算機出現(xiàn)不久就被用于結構強度分析計算。五十年代出現(xiàn)了“有限元法”，經過二十多年的發(fā)展，到七、八十年代在理論上就比較成熟了，并被作為工程結構靜、動力強度分析的有效工具而得以廣泛的應用，并發(fā)揮了重大作用。有限元法的基本思想是將一個復雜的結構拆分成“有限”個“單元“，對這些單元分別進行分析，建立其位移、內力的關系，以變分原理為工具，將微分方程化為代數(shù)方程，再將“單元”組裝成結構，形成結構整體的剛度方程KU=P，其中：K是結構的整體剛度矩陣、U是節(jié)點位移列陣、P是節(jié)點荷載列陣。利用計算機求解大型線性代數(shù)方程組，即可求得結構的內力和位移.在汽車設計中“有限元法”也得到了廣泛的應用，下面以重型載重車的車架有限元分析實例。
       結構優(yōu)化設計的基本思想是在滿足結構正常工作的各項要求的前提下，設計重量最輕(或造價最低)的結構。“以最小的代價，獲取最大的利益，這一思想古已有之。在本世紀初即有人采用數(shù)學規(guī)劃的方法進行過簡單結構的優(yōu)化設計，但由于理論研究不夠完善，特別是結構分析以及求解數(shù)學規(guī)劃問題的計算工作量太大，因而在出現(xiàn)計算機及有限元結構分析方法以前，結構優(yōu)化設計還只能停留在科學家紙上談兵的階段，無法應用于工程實際結構設計中。在60年代，由于計算機技術的發(fā)展，有限元法的逐步成熟以及數(shù)學規(guī)劃研究的進展，結構優(yōu)化設計逐步發(fā)展起來，并開始應用于實際工程結構設計中。自70年代以來，結構優(yōu)化設計得到了巨大的發(fā)展并在實際工程結構設計中發(fā)揮出日益巨大的作用和效益。
       結構優(yōu)化設計從設計層次上分可分為：截面優(yōu)化設計(僅以結構截面尺寸為設計變量)、幾何優(yōu)化設計(以結構截面尺寸和結構節(jié)點坐標為設計變量〕和拓撲優(yōu)化設計(以結構截面尺寸、結構節(jié)點坐標和結構各單元問的連接關系為設計變量)；從設計變量的性質上分可分為連續(xù)變量結構優(yōu)化設計(各個設計變量的取值范圍是連續(xù)的)和離散變量結構優(yōu)化設計(各個設計變量的取值范圍是離散的)。以結構受應力約束和位移約束的結構優(yōu)化設計為例，連續(xù)變量結構截面優(yōu)化設計的數(shù)學模型為下面是小型郵電運愉車車架的結構拓撲優(yōu)化結果。基本結構為一4000x1400(mm)的長方形板，劃分為50x18個矩形薄板單元，荷載有發(fā)動機重量(共193公斤，作用于圖中左邊三個圓點所示位置)；乘客及貨物重量(共743.6公斤，作用于圖中右邊四個圓點所示位置)；車身重量(共72a公斤，作用于圖中上下邊六個三角形所示位置)。支承條件為四點鉸支(支承于圖中四個矩形所示位置)。

                                                                                  專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
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