【摘要】客車車身在客車中不僅起覆蓋件的作用，還承擔了客車一部分的載荷，因此結構拓撲優(yōu)化對客車的設計中有著重要的意義。通過先介紹結構拓撲優(yōu)化的基本理論， 然后在某客車車身概念設計階段引入拓撲優(yōu)化設計方法，達到優(yōu)化性能、降低質量的目的。

【關鍵詞】拓撲優(yōu)化;車身結構;優(yōu)化設計;客車

1.引言

汽車已經(jīng)成為當前國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，隨著社會對汽車的服務領域和多樣化要求越來越高，車身作為汽車外觀的直接表現(xiàn)，成為吸引市場的重要因素，在汽車設計中已經(jīng)逐步處于主導的地位。據(jù)統(tǒng)計，客車、轎車和多數(shù)專用汽車的車身質量約占整車質量的40%以上，貨車的車身質量約占整車質量的20%以上，車身的設計及制造成本在汽車總成本中占有相當大的份額。因此，僅從這個意義上來衡量汽車車身，其經(jīng)濟效益也遠遠高于其它方面。國內外汽車生產(chǎn)的實踐一再表明：整車生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車身，在基本車型達到飽和的情況下，只有依賴車身改型或改裝才能打開銷路。輕量化設計可以提高車輛的動力性能，降低能源消耗，成為汽車設計需要考慮的主要因素之一。拓撲優(yōu)化方法是結構優(yōu)化設計中有力的工具，并在汽車優(yōu)化設計中大量應用?？蛙囓嚿碓诳蛙囍胁粌H起覆蓋件的作用，還承擔了客車一部分的載荷，因此對客車的設計中有著重要的意義。

2.拓撲優(yōu)化理論

結構拓撲優(yōu)化是近20年來從結構優(yōu)化研究中演化出來的一個重要分支。結構拓撲優(yōu)化研究在國內起步較晚，而國外早在上個世紀初就已經(jīng)開始了，我們國家是從上個世紀八十年代才開始結構拓撲優(yōu)化領域的研究和探討工作。目前，國內外學者研究的重點主要是連續(xù)體結構的拓撲優(yōu)化設計。在這一領域的研究方向主要有兩個，局部應力約束下的強度拓撲優(yōu)化設計在國內研究較多，國外則是偏重于全局體積約束下結構的剛度拓撲優(yōu)化設計。從20世紀80年代末期以來，產(chǎn)生了許多拓撲優(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年提出的一種拓撲優(yōu)化方法，此方法求解拓撲優(yōu)化問題分為三個步驟：①以復合材料力學為基礎，由最小勢能原理出發(fā)并結合均勻化理論的微元體假設，求得結構的均勻化彈性張量國品（z）。②采用一定的優(yōu)化方法更新設計變量，并保證計算過程的收斂性和穩(wěn)定性。③用有限元方法求解結構位移場和其他性能指標。其中尤以均勻化彈性張量的求解最為復雜。

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，后來經(jīng)過Osigmund等的努力得到了進一步發(fā)展?；谌斯げ牧厦芏确椒ǖ乃枷牒颓疤崾牵孩僭陔x散單元內部的材料屬性為常數(shù)，設計變量定義為離散單元的相對密度，用r來表達，設原始設計單元密度為島，優(yōu)化后單元密度為p，則存在關系式：p=xp。②單元材料屬性隨著單元相對密度的變化而變化，并且是與單元相對密度成指數(shù)變化關系。設E0和E分別為單元初始彈性模量和優(yōu)化后彈性模量，則存在關系式：E=xpE0，磊，同樣設k0和ke分別是結構單元初始剛陣和優(yōu)化后的剛陣，則可推得關系式：ke=xpk0，p為懲罰權因子，選擇懲罰因子的目的是對中間密度單元項進行懲罰，以盡量減少結構中間密度單元的數(shù)目，使結構單元密度盡可能為0或l。

3.車身結構拓撲優(yōu)化的一般流程

3.1 問題的提出

優(yōu)化問題貫穿在概念設計到細節(jié)設計整個過程的各個階段。其目標是開發(fā)出一種新型的車身結構，在承受相同載荷的情況下，使用材料達到相對較少的水平。

3.2 優(yōu)化問題的設定

優(yōu)化的目標函數(shù)：min mass。即，使車身重量達到最小化。當車身重量最小時，其材料用量也為最小。

約束條件為：1）能承受既定的扭轉和彎曲;2）剛度達到既定的要求;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量量小于規(guī)定的要求。具體的做法為：在受動態(tài)彎矩和扭矩的作用下，位移最大點小于標準所要求的值。在靜載的狀態(tài)下，剛度所在的軸向位移小于標準所要求的值。在既定的約束情況下，固有頻率值小于既定的值。

應用的方法：設計空間范圍是整車輪廓以及固定的被包裹的子系統(tǒng)構筑的空間，載荷由分析確定;結構拓撲優(yōu)化（topology optimization）技術用于創(chuàng)建初始的概念設計;概念設計中考慮可加工制造性;尺寸/形狀優(yōu)化（Size/Shape optimization）用于轉化概念設計。

3.3 設計空間和載荷的確定

依據(jù)已有的客車參數(shù)得到客車車身的CAD模型，并對車身幾何模型進行簡化。對客車模型進行有限元的建模，金屬板件之間的點焊連接、少數(shù)螺栓連接采用梁單元模擬;保留尺寸較大的孔，忽略細微局部結構特征，如尺寸較小的孔、倒圓倒角、加強筋等。離散車身結構幾何模型，得到白車身有限元模型（已隱藏網(wǎng)格）（如圖1所示）。客車車身的載荷由ADAMS進行多體動力學仿真得到，將仿真數(shù)據(jù)加載在有限元模型上。根據(jù)設計需要，將客車車身定義為優(yōu)化區(qū)域，其余位置，如底板等不作處理。

圖1 離散車身結構有限元模型

3.4 結構拓撲優(yōu)化

利用人工材料密度方法對客車車身進行拓撲優(yōu)化，為下一步的優(yōu)化確定拓撲空間。拓撲的結果如圖2所示。

圖2 拓撲優(yōu)化結果

3.5 概念設計

提取拓撲設計后的節(jié)點坐標值，利用逆向工程得到CAD模型。并考慮工藝性等問題，修改客車車身的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)化的設計變量為殼單元的厚度以及梁管料的截面形狀。將個管件截面的長度和寬度、厚度設為設計變量后（如圖5所示），利用morphing技術和參數(shù)優(yōu)化技術進行優(yōu)化。并將得到的結果導出節(jié)點信息，利用逆向工程得到車身的具體形狀，得到的結果如圖6所示。

圖5 尺寸優(yōu)化的設計變量為殼單元管件

圖6 新車身結構

4.結語

客車的輕量化對客車有著重要的意義，但由于成本、制造工藝、環(huán)保等方面的原因，對于大型客車等車輛較難實現(xiàn)， 因此結構優(yōu)化設計將成為車輛輕量化最重要的手段， 具有廣泛的應用前景。本文以某大客車車身的初步設計和總布置為依據(jù)，以CAD等 軟件為平臺，建立了客車車身拓撲優(yōu)化模型。根據(jù)汽車車身結構的特點，參照拓撲優(yōu)化準則法，提出客車車身的優(yōu)化流程，包括拓撲優(yōu)化及尺寸、形狀方法。經(jīng)有限元分析，優(yōu)化的結果均滿足實際需要。利用優(yōu)化算法縮短了客車車身開發(fā)的時間，節(jié)省了經(jīng)費，并設計出了較為合理的車身結構，為工程師的進一步設計提供了新的思路和可靠的依據(jù)。拓撲優(yōu)化分析方法為車身結構設計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

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作者簡介：李禹琪（1992—），四川綿陽人，大學本科，現(xiàn)就讀于西華師范大學，研究方向：CAD結構設計與優(yōu)化。