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有限元分析时由于零件的结构特征决定了零件中最大应力或应力集中一般出现在零件的表面上，其疲劳破坏、断裂也是从零件的表面开始。因此，对零件表面进行形状优化，就可以改善零件的性能，提高零件材料的利用率。在形状优化中，设计变量一般可选择几何参数如节点的坐标、样条函数或多项式的系数以及其它几何参数等，也可以选择非几何参数如虚载荷变量。约束条件以性能约束为主，优化目标函数可以选择最小化结构的重量、面积、应力或应力中系数。性能约束条件和目标函数均为设计变量的隐式函数关系，因此其灵敏度分析不能直接求解，必须借助于有限元分析理论，用间接的方法而求得。

另外在优化过程中改变零件的边界形状，会引起网格密度和单元形状的变化，甚至会出现网格扭曲，因此在形状优化过程中，并设置网格的扭曲检查。同时也可以看出，当边界采用不同的几何表示时，设计变量的选择不相同，所得到的优化模型也就不一样。若以虚载荷变量作为设计变量，将最小化结构的Von Mises应力F(t)作为了服从边界约束优化的目标函数。设t是一个(m×1)的设计变量向量，这样设计域Ψ就能够表示为t的函数，即Ψ=Ψ(t)。让Г(t)表示设计域的边界，形状优化设计模型表述为: gi(t)表示第i个约束条件;tLj，tUj则分别表示第j个设计变量的上下界，R是一个由足够光滑、能够满足用户设计需要的函数集。基于形状优化的机械零件设计流程如图所示。