【摘要】客車(chē)車(chē)身在客車(chē)中不僅起覆蓋件的作用，還承擔(dān)了客車(chē)一部分的載荷，因此結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)客車(chē)的設(shè)計(jì)中有著重要的意義。通過(guò)先介紹結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本理論， 然后在某客車(chē)車(chē)身概念設(shè)計(jì)階段引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，達(dá)到優(yōu)化性能、降低質(zhì)量的目的。

【關(guān)鍵詞】拓?fù)鋬?yōu)化;車(chē)身結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);客車(chē)

1.引言

汽車(chē)已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，隨著社會(huì)對(duì)汽車(chē)的服務(wù)領(lǐng)域和多樣化要求越來(lái)越高，車(chē)身作為汽車(chē)外觀的直接表現(xiàn)，成為吸引市場(chǎng)的重要因素，在汽車(chē)設(shè)計(jì)中已經(jīng)逐步處于主導(dǎo)的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車(chē)、轎車(chē)和多數(shù)專用汽車(chē)的車(chē)身質(zhì)量約占整車(chē)質(zhì)量的40%以上，貨車(chē)的車(chē)身質(zhì)量約占整車(chē)質(zhì)量的20%以上，車(chē)身的設(shè)計(jì)及制造成本在汽車(chē)總成本中占有相當(dāng)大的份額。因此，僅從這個(gè)意義上來(lái)衡量汽車(chē)車(chē)身，其經(jīng)濟(jì)效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它方面。國(guó)內(nèi)外汽車(chē)生產(chǎn)的實(shí)踐一再表明：整車(chē)生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車(chē)身，在基本車(chē)型達(dá)到飽和的情況下，只有依賴車(chē)身改型或改裝才能打開(kāi)銷(xiāo)路。輕量化設(shè)計(jì)可以提高車(chē)輛的動(dòng)力性能，降低能源消耗，成為汽車(chē)設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素之一。拓?fù)鋬?yōu)化方法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中有力的工具，并在汽車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用。客車(chē)車(chē)身在客車(chē)中不僅起覆蓋件的作用，還承擔(dān)了客車(chē)一部分的載荷，因此對(duì)客車(chē)的設(shè)計(jì)中有著重要的意義。

2.拓?fù)鋬?yōu)化理論

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是近20年來(lái)從結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中演化出來(lái)的一個(gè)重要分支。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究在國(guó)內(nèi)起步較晚，而國(guó)外早在上個(gè)世紀(jì)初就已經(jīng)開(kāi)始了，我們國(guó)家是從上個(gè)世紀(jì)八十年代才開(kāi)始結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的研究和探討工作。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)主要是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。在這一領(lǐng)域的研究方向主要有兩個(gè)，局部應(yīng)力約束下的強(qiáng)度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)研究較多，國(guó)外則是偏重于全局體積約束下結(jié)構(gòu)的剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。從20世紀(jì)80年代末期以來(lái)，產(chǎn)生了許多拓?fù)鋬?yōu)化理論和方法。其中，較為流行的有均勻化方法和人工材料密度方法。

2.1 均勻化方法

均勻化方法是M.P.Bendsoe和N.Kikuchi于1988年提出的一種拓?fù)鋬?yōu)化方法，此方法求解拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題分為三個(gè)步驟：①以復(fù)合材料力學(xué)為基礎(chǔ)，由最小勢(shì)能原理出發(fā)并結(jié)合均勻化理論的微元體假設(shè)，求得結(jié)構(gòu)的均勻化彈性張量國(guó)品（z）。②采用一定的優(yōu)化方法更新設(shè)計(jì)變量，并保證計(jì)算過(guò)程的收斂性和穩(wěn)定性。③用有限元方法求解結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)和其他性能指標(biāo)。其中尤以均勻化彈性張量的求解最為復(fù)雜。

2.2 人工材料密度方法

人工材料密度方法（如圖1所示）最初由M.P.Belldsoe、G.I.N.Rozvany等提出，后來(lái)經(jīng)過(guò)Osigmund等的努力得到了進(jìn)一步發(fā)展?；谌斯げ牧厦芏确椒ǖ乃枷牒颓疤崾牵孩僭陔x散單元內(nèi)部的材料屬性為常數(shù)，設(shè)計(jì)變量定義為離散單元的相對(duì)密度，用r來(lái)表達(dá)，設(shè)原始設(shè)計(jì)單元密度為島，優(yōu)化后單元密度為p，則存在關(guān)系式：p=xp。②單元材料屬性隨著單元相對(duì)密度的變化而變化，并且是與單元相對(duì)密度成指數(shù)變化關(guān)系。設(shè)E0和E分別為單元初始彈性模量和優(yōu)化后彈性模量，則存在關(guān)系式：E=xpE0，磊，同樣設(shè)k0和ke分別是結(jié)構(gòu)單元初始剛陣和優(yōu)化后的剛陣，則可推得關(guān)系式：ke=xpk0，p為懲罰權(quán)因子，選擇懲罰因子的目的是對(duì)中間密度單元項(xiàng)進(jìn)行懲罰，以盡量減少結(jié)構(gòu)中間密度單元的數(shù)目，使結(jié)構(gòu)單元密度盡可能為0或l。

3.車(chē)身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的一般流程

3.1 問(wèn)題的提出

優(yōu)化問(wèn)題貫穿在概念設(shè)計(jì)到細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程的各個(gè)階段。其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出一種新型的車(chē)身結(jié)構(gòu)，在承受相同載荷的情況下，使用材料達(dá)到相對(duì)較少的水平。

3.2 優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)定

優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：min mass。即，使車(chē)身重量達(dá)到最小化。當(dāng)車(chē)身重量最小時(shí)，其材料用量也為最小。

約束條件為：1）能承受既定的扭轉(zhuǎn)和彎曲;2）剛度達(dá)到既定的要求;3）第一階到第四階固有頻率小于要求的值。

約束條件的處理方法可采用具體位置位移的測(cè)量量小于規(guī)定的要求。具體的做法為：在受動(dòng)態(tài)彎矩和扭矩的作用下，位移最大點(diǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的值。在靜載的狀態(tài)下，剛度所在的軸向位移小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的值。在既定的約束情況下，固有頻率值小于既定的值。

應(yīng)用的方法：設(shè)計(jì)空間范圍是整車(chē)輪廓以及固定的被包裹的子系統(tǒng)構(gòu)筑的空間，載荷由分析確定;結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）技術(shù)用于創(chuàng)建初始的概念設(shè)計(jì);概念設(shè)計(jì)中考慮可加工制造性;尺寸/形狀優(yōu)化（Size/Shape optimization）用于轉(zhuǎn)化概念設(shè)計(jì)。

3.3 設(shè)計(jì)空間和載荷的確定

依據(jù)已有的客車(chē)參數(shù)得到客車(chē)車(chē)身的CAD模型，并對(duì)車(chē)身幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)客車(chē)模型進(jìn)行有限元的建模，金屬板件之間的點(diǎn)焊連接、少數(shù)螺栓連接采用梁?jiǎn)卧M;保留尺寸較大的孔，忽略細(xì)微局部結(jié)構(gòu)特征，如尺寸較小的孔、倒圓倒角、加強(qiáng)筋等。離散車(chē)身結(jié)構(gòu)幾何模型，得到白車(chē)身有限元模型（已隱藏網(wǎng)格）（如圖1所示）?？蛙?chē)車(chē)身的載荷由ADAMS進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真得到，將仿真數(shù)據(jù)加載在有限元模型上。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，將客車(chē)車(chē)身定義為優(yōu)化區(qū)域，其余位置，如底板等不作處理。

圖1 離散車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型

3.4 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

利用人工材料密度方法對(duì)客車(chē)車(chē)身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，為下一步的優(yōu)化確定拓?fù)淇臻g。拓?fù)涞慕Y(jié)果如圖2所示。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.5 概念設(shè)計(jì)

提取拓?fù)湓O(shè)計(jì)后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，利用逆向工程得到CAD模型。并考慮工藝性等問(wèn)題，修改客車(chē)車(chē)身的CAD模型。并將此模型劃分有限元網(wǎng)格。得到的CAD模型如圖3所示。有限元模型如圖4所示。

圖3 CAD模型

圖4 有限元模型

3.6 尺寸和形狀優(yōu)化

尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為殼單元的厚度以及梁管料的截面形狀。將個(gè)管件截面的長(zhǎng)度和寬度、厚度設(shè)為設(shè)計(jì)變量后（如圖5所示），利用morphing技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。并將得到的結(jié)果導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)信息，利用逆向工程得到車(chē)身的具體形狀，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖5 尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為殼單元管件

圖6 新車(chē)身結(jié)構(gòu)

4.結(jié)語(yǔ)

客車(chē)的輕量化對(duì)客車(chē)有著重要的意義，但由于成本、制造工藝、環(huán)保等方面的原因，對(duì)于大型客車(chē)等車(chē)輛較難實(shí)現(xiàn)， 因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為車(chē)輛輕量化最重要的手段， 具有廣泛的應(yīng)用前景。本文以某大客車(chē)車(chē)身的初步設(shè)計(jì)和總布置為依據(jù)，以CAD等 軟件為平臺(tái)，建立了客車(chē)車(chē)身拓?fù)鋬?yōu)化模型。根據(jù)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，參照拓?fù)鋬?yōu)化準(zhǔn)則法，提出客車(chē)車(chē)身的優(yōu)化流程，包括拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸、形狀方法。經(jīng)有限元分析，優(yōu)化的結(jié)果均滿足實(shí)際需要。利用優(yōu)化算法縮短了客車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)的時(shí)間，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，并設(shè)計(jì)出了較為合理的車(chē)身結(jié)構(gòu)，為工程師的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了新的思路和可靠的依據(jù)。拓?fù)鋬?yōu)化分析方法為車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種可行的分析方法，不失為一種有效的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]李學(xué)修，黃虎，劉長(zhǎng)虹.拓?fù)鋬?yōu)化方法在輕卡車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（1）：11-12.

[2]張葒蔚，顧力強(qiáng).基于有限元分析技術(shù)的大客車(chē)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2002，18 （5）：46-47.

[3]周偉，宋學(xué)偉.客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2012（6）：9-10.

[4]ROSSOW M P，TALOR J E. A finite element method for the optimal design of variable thickness sheets[J].AIAA Journal，1973，11（11）：1566-1569.

作者簡(jiǎn)介：李禹琪（1992—），四川綿陽(yáng)人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西華師范大學(xué)，研究方向：CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。