针对CFRP优化设计过程中由于设计变量较多导致收敛慢的问题,提出一种基于变量分层的协同优化设计方法。该方法中,将协同优化分为系统层面与子层面,子层面包括结构层面与材料层面,结构件的截面轮廓控制节点及其权因子作为结构层面的局部变量进行NURBS结构优化设计,CFRP铺层角度作为材料层面的局部变量进行固有频率优化设计,提取结构件总厚度作为系统层面的公共变量,通过子层面与系统层面设计变量的交互实现CFRP结构件宏细观协同优化设计。以汽车CFRP顶盖协同优化设计为算例,验证所提方法的可行性。优化结果表明汽车CFRP顶盖在满足强度与刚度性能的条件下,与汽车钢制顶盖相比,质量降幅为74.5%,固有频率增幅为125.5%。与整体优化法相比,分层协同优化法的优化效率显著提高。

基于参数化建模和结构优化设计理论，建立了某磨床床身的参数化有限元模型；以床身的筋板间距和壁厚为设计参数，在保证导轨刚度的条件下，采用整体优化和分层优化的方法分别对床身结构进行了优化设计，达到降低床身自重的目的，并对优化前后的结构进行了力学性能比较。整体优化是指同时优化所有的设计变量，而分层优化是指将设计变量根据其对设计目标和约束条件的影响进行合理分组，逐步优化。结果表明，采用分层优化技术可有效地解决设计变量较多的复杂结构优化设计。