背景：轻量化设计是降低成本节约能耗的重要手段之一。轻量化的方法包括材料优化、结构设计优化等手段。结构设计优化通常是借助CAE工具进行性能分析及轻量化优化分析中国机械网okmao.com。包含两个方面：1.结构优化，包括拓扑优化、形貌优化、形状优化等。2.数值优化：包含材料牌号优化、料厚优化、多学科优化等等。结构优化软件包括Tosca、Optistruct以及有限元求解器自身的优化求解器，如果Nastran、ABAQUS、ANSYS等都自带有拓扑优化等功能。数值优化软件包括LSOPT、Isight、Optimus、modeFrontier、Heeds、optiSLang等等。以上软件的使用方法和案例可以参照公众号以前的文章。
本文介绍一个工程机械挖掘机臂的轻量化设计案例。
摆臂的材料为Q345，屈服强度345MPa。A点、B点、C点和D点承受约束和外力。初始设计重量2.69T。轻量化设计要求保证结构的强度性能要求，减重20%以上。
初始设计该件为一个整体部件，为了进行拓扑优化设计，需要将模型做预处理，区分拓扑设计空间和非设计空间。通常几何数据处理是设计工程师或者CAD工程师来完成的。CAE软件界面对于CAD数据的处理是一些比较简单的功能，处理的效率没有CAD软件来的高。但针对于CAE工程师，掌握CAD软件是一项必备的技能。这里推荐一下SpaceClaim(SCDM)这个软件，毫不夸张地说，没见过比这个更牛的为CAE分析进行CAD数据处理的软件了。
拓扑优化：拓扑优化可以使用Tosca、Optistruct等进行。本例使用Optistruct进行拓扑优化分析。约束体积分数小于0.7，最小化柔度。分析校核强度。
性能分析：首先对原始设计进行校核分析：最大应力在B点支撑位置处，应力值309.8MPa。
拓扑优化结果：
拓扑结果性能验证：
原设计质量：2.693t，拓扑优化后模型质量：2.063t。应力强度满足要求。减重0.63t，减重比23.4%。
对拓扑结果进行工程化处理：拓扑的结果一般是不规则的结构，需要根据设计规范设计要求进行工程数据修改。从拓扑结果数据到工程化数据的处理，使用前面介绍的SCDM进行完成，分分钟可以完成修改。
原设计质量：2.693t，工程化处理后质量：2.118t，应力强度满足要求。减重0.575t，减重比21.4%。
结束语：以上只是一个简单的轻量化分析的案例。不同的工程实际有不同的设计特点，性能表现和性能要求。轻量化的方法和手段也不仅仅局限在拓扑优化，根据实际项目可以选择多种优化手段进行轻量化设计。