陳小華

摘 要：本文旨在通過某中卡駕駛室前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程，闡述如何在給定空間，根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)的使用要求尋找出其材料的最佳布局方式，從而使車輛結(jié)構(gòu)最大限度地實現(xiàn)輕量化。 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程大致為假設(shè)-分析-校核-重新設(shè)計，有時這個過程需要重復(fù)多次，很難找出最佳設(shè)計方案，用材裕度一般較大。本文前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，直接優(yōu)化出其結(jié)構(gòu)材料的最佳布局從而實現(xiàn)前懸置的輕量化。其優(yōu)化設(shè)計方法過程如下：確定前懸置相關(guān)的極限強度工況（七種）和安全法規(guī)要求的前拍工況，運用多體軟件建立中卡整車模型，分析提取極限強度工況載荷；建立駕駛室前拍工況模型，計算提取前拍工況載荷；建立前懸置的優(yōu)化模型，施加前面提取的工況載荷，以優(yōu)化設(shè)計區(qū)域密度作為優(yōu)化設(shè)計變量，把各工況下的計算應(yīng)力和體積作為響應(yīng)，把材料屈服強度作為約束邊界，以體積最小作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化分析，從而得出前懸置結(jié)構(gòu)材料的最佳布局方式。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計人員設(shè)計出的樣件一次性通過了實際強度試驗驗證和碰撞安全前拍工況的摸底試驗，這一優(yōu)化方法大大地縮短了前懸置結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期和試驗時間，也節(jié)省了開發(fā)試驗費用。也說明CAE技術(shù)在產(chǎn)品概念開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計階段具有重要的指導(dǎo)參考作用。

關(guān)鍵詞：前懸置 輕量化 多工況 拓撲優(yōu)化

Topology Optimization Design of Front Mounting of a Medium Truck Cab

Chen Xiaohua

Abstract：This paper aims to explain how to find the best layout of the material according to the use requirements of the vehicle structure in a given space through the structural optimization design process of the front suspension of a medium-truck cab， so as to maximize the lightweight of the vehicle structure. The traditional structural optimization design process is roughly divided into? hypothesis， analysis， check， redesign. Sometimes this process needs to be repeated many times， and it is difficult to find the best design scheme， and the material margin is generally large. In the structural optimization design of the front suspension in this paper， the optimal layout of its structural materials is directly optimized to achieve the lightweight of the front suspension. The optimization design method process is as follows： to determine the ultimate strength working conditions related to the front suspension （seven types） and the front shooting conditions required by safety regulations， use multi-body software to establish the vehicle model of medium truck， and analyze and extract the load of the ultimate strength condition， and the model of the pre-cab shooting condition， and calculate the load of the extraction pre-shooting condition. The optimization model of the front suspension is established， the load of the working conditions extracted in front is applied， the density of the optimization design area is used as the optimization design variable， the calculated stress and volume under each working condition are taken as the response， the yield strength of the material is used as the constraint boundary， and the minimum volume is used as the optimization goal for optimization analysis， so as to obtain the optimal layout method of the pre-suspension structural material. According to the optimization results， the sample designed by the designer passed the actual strength test verification and the bottom test of the collision safety pre-shooting condition at one time， which greatly shortened the development cycle and test time of the front suspension structure， and also saved the development test cost. It also shows that CAE technology has an important guiding reference role in product concept development and product design stage.

Key words：front overhang， lightweight， multi-condition， topology optimization

1 緒論

汽車輕量化不僅會減少結(jié)構(gòu)用材，而且會使整車動力性提高，制動安全距離縮短，燃油消耗率降低，同時降低尾氣排放量，據(jù)統(tǒng)計車輛每減重10%，每百公里可節(jié)省燃油6%-8%，尾氣排放量也相應(yīng)減少7%左右[1]。

國務(wù)院發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，要求到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0升/百公里，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5升/百公里以下；商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平[2]。為了應(yīng)對更為嚴格的法規(guī)要求和響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保需要，我們福田在汽車輕量化工作上進行攻難刻堅，開展了大量工作，如其中某中卡駕駛室前懸置的拓撲優(yōu)化設(shè)計。

最初的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程是設(shè)計-試制-測試，有時這一過程需要反復(fù)多次；當(dāng)計算機輔助設(shè)計CAE技術(shù)得到廣泛運用時，經(jīng)過CAE虛擬驗證分析，當(dāng)分析結(jié)果不滿足使用要求時，直接更改設(shè)計，直到CAE虛擬驗證分析通過，才進行試制和測試，這一方式可以在很大程度上縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少試制試驗的次數(shù)和費用，但這一結(jié)構(gòu)設(shè)計方法一般很難找出最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。如果想進一步縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，直接找出最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，就需要用采用基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其過程大致可歸納為設(shè)計-CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化-試制-測試幾個階段。

下文所述某中卡駕駛室前懸置優(yōu)化設(shè)計所采用的拓撲優(yōu)化技術(shù)就屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的常用手段。下文將從以下幾個方面對前懸置的拓撲優(yōu)化設(shè)計進行論述：

（1）使用工況和邊界載荷確定；（2）前懸置的拓撲優(yōu)化設(shè)計；（3）實際試驗驗證；（4）結(jié)論。

2 邊界載荷確定

2.1 確定使用工況

因中駕駛室前懸置（結(jié)構(gòu)位置如下圖1所示），是重要的承載安全件。在對其結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，就需要充分考慮沖擊、轉(zhuǎn)彎、緊急制動、扭轉(zhuǎn)等各種極限強度工況，因GB26512商用車安全法規(guī)要求，前懸置結(jié)構(gòu)還需要考慮前拍、頂壓工況。

2.2 整車多體模型的建立和強度工況載荷提取

整車多體模型的建立：運用多體動力學(xué)軟件ADAMS CAR建立前、后懸架系統(tǒng)；柔性體車身、車架等關(guān)鍵子系統(tǒng)。

前后懸架：根據(jù)相應(yīng)的懸架類型，選擇相應(yīng)的模板，建立前后懸架結(jié)構(gòu)。

卡車類板簧懸架結(jié)構(gòu)，需要先建立板簧，然后導(dǎo)入懸架模板；根據(jù)懸架的實際結(jié)構(gòu)，修改模板硬點、襯套剛度、緩沖塊剛度、緩沖塊間隙、減振器極限長度及懸架零部件的質(zhì)量，修訂輪胎剛度及質(zhì)量、軸距、質(zhì)心高度、制動力分配等參數(shù)。然后進行校驗，運行懸架平行輪跳，保證空載點和滿載點的軸荷數(shù)據(jù)準確。

柔性體車身：白車身的柔性體模型應(yīng)根據(jù)實際結(jié)構(gòu)建立，附加車門、座椅、前風(fēng)擋、內(nèi)飾、儀表板等的附加質(zhì)量，保證車身質(zhì)心位置準確；如有車身的轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)，應(yīng)調(diào)節(jié)模型的附加質(zhì)量，使柔性體的轉(zhuǎn)動慣量和提供的轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)盡量一致。

柔性體車架：車架柔性體建立時，應(yīng)保證車架各連接點的位置準確，對于小質(zhì)量點的附加質(zhì)量，可以直接附加在車架柔性體上，而對于較大的附加質(zhì)量，則應(yīng)在多體模型中建立和固連，固連時應(yīng)選擇合適的有限元單元類型。輸出柔性體后時，應(yīng)對車架柔性體的前幾階模態(tài)值進行校驗，保證輸出的車架柔性體準確。

整車多體模型建立過程如下圖2所示：

強度工況載荷提取：由圖1可知，前懸置由鉸接點處分為上下兩部分，即前上懸置和前下懸置，且其結(jié)構(gòu)呈左右對稱狀態(tài)，因而前懸置的優(yōu)化需要考慮對稱工況。極限強度工況分析時需要提取的強度工況有：（1）垂向沖擊工況；（2）左轉(zhuǎn)彎工況；（3）右轉(zhuǎn)彎工況；（4）左前右后扭轉(zhuǎn)工況；（5）右前左后扭轉(zhuǎn)工況；（6）緊急制動工況；（7）急加速工況；

運用ADAMS CAR里的準靜態(tài)分析工況和Testrig分析工況分別對左轉(zhuǎn)彎工況、右轉(zhuǎn)彎工況、緊急制動工況、急加速工況和垂向沖擊工況、左前右后扭轉(zhuǎn)工況、右前左后扭轉(zhuǎn)工況一一進行分析求解，然后對各工況下懸置所受到的極限載荷進行提取，提取結(jié)果如表1、表2所示：

2.3 碰撞安全前拍模型的建立和載荷提取

請碰撞安全室相關(guān)人員協(xié)助提取駕駛室在被動安全前拍工況下前懸置所受到的極限載荷，圖3為運用LS-dyna工具軟件建立好的前拍模型。

根據(jù)國家法規(guī)GB26512要求，在對駕駛施加44.1KJ的初始碰撞能量拍擊駕駛室前段時，司乘人員需要具有一定的生存空間，即前懸置有足夠的強度，前拍工況中前懸置的應(yīng)變不超過2%時，前懸置結(jié)構(gòu)強度滿足前拍工況要求。

模擬擺錘拍擊駕駛室工況的方法，在擺錘繞上軸線向下旋轉(zhuǎn)到和駕駛室前段剛好接觸狀態(tài)時，給擺錘施加一個初速度，此速度使擺錘的動能剛好為44.1KJ，然后進行高度非線性碰撞計算，模擬前拍工況前懸置和駕駛室的變形。

初速度計算公式：

擺錘對駕駛室前拍工況的分析計算結(jié)果如下圖4所示，分析前懸置的最大應(yīng)變量，當(dāng)最大應(yīng)變不超過2%時，提取前上懸置、前下懸置連接點的極限載荷。

前懸置在駕駛室前拍工況的載荷提取結(jié)果如表3所示：

下懸置連接點在前拍工況下極限載荷和表3類似，這里省略。

3 前懸置的拓撲優(yōu)化設(shè)計

3.1 前懸置有限元優(yōu)化模型的建立

根據(jù)上下懸置安裝連接位置，上下懸置的鉸接點，在其布局空間生成初步的包絡(luò)體，然后把安裝連接位置和懸置的鉸接點區(qū)域從其他區(qū)域分割開，作為非優(yōu)化設(shè)計區(qū)域，其他區(qū)域全作為優(yōu)化設(shè)計區(qū)域，然后生成上、下懸置結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型，對安裝連接點施加邊界約束、把前面提取的強度極限工況和駕駛室前拍工況載荷，施加于懸置的鉸接點，建立起前上、下懸置的有限元優(yōu)化模型如下圖5、圖6所示：

3.2 結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化

目前拓撲優(yōu)化所采用的主要算法有：均質(zhì)化方法、相對密度法和進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化法三種，因均質(zhì)化方法在平面問題應(yīng)用的較為廣泛，進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化法可以對結(jié)構(gòu)貢獻大的區(qū)域增加材料，而前上、下懸置可利用空間受限，所以采用相對密度法對前懸置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

相對密度法是一種常用的拓撲優(yōu)化方法，其基本思想是不引入微結(jié)構(gòu)，而是引入一種假想的相對密度在0～1之間可變的材料。它吸取了均質(zhì)化方法中的經(jīng)驗和成果，直接假定設(shè)計材料的宏觀彈性常量與其密度的非線性關(guān)系。其中應(yīng)用的比較多的模型是SIMP （solid isot ropic microst ructure with penalization） 法，其基于最小柔度的優(yōu)化模型如下[4]：優(yōu)化時以單元的相對密度xe為拓撲設(shè)計變量，這樣結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題被轉(zhuǎn)換為材料的最優(yōu)分布問題。

把上、下懸置材料ZG270_550密度設(shè)置為優(yōu)化變量，把各工況下的計算應(yīng)力和體積作為響應(yīng)，材料的屈服強度作為邊界約束條件，把體積最小作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化計算，駕駛室前上、下懸置的拓撲優(yōu)化結(jié)果密度等值云圖如下圖7、圖8所示：

3.3 由優(yōu)化結(jié)果設(shè)計前懸置結(jié)構(gòu)

把優(yōu)化結(jié)果生成OSSMooth模型，由設(shè)計人員根據(jù)OSSMooth模型輪廓，并結(jié)合結(jié)構(gòu)加工工藝，重新設(shè)計出前懸置結(jié)構(gòu)如圖9、圖10所示：優(yōu)化前上、下懸置重量分別為21.8Kg和9.5Kg優(yōu)化后降重至15.8Kg和6.8Kg，降重量分別達到27.5%和28.4%。優(yōu)化后強度和剛度略有下降，但虛擬分析結(jié)果滿足極限工況和被動安全的前拍工況使用要求。

3.4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)虛擬驗證分析

因極限強度工況載荷比碰撞安全前拍工況載荷小很多，因而只對前拍工況進行虛擬驗證分析，把圖3所示駕駛室前拍模型中的前懸置替換為拓撲優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，再進行前拍工況模擬分析，其應(yīng)變分析結(jié)果如下圖11所示，可見其強度滿足使用要求。

4 試驗驗證

對經(jīng)過拓撲優(yōu)化設(shè)計的前懸置結(jié)構(gòu)，制作了試驗樣件并通過了定遠汽車試驗場的可靠性壞路強化試驗，隨后在天津一次性通過了駕駛室前拍工況的摸底試驗。本次通過對拓撲優(yōu)化技術(shù)的運用，大大地縮短了前懸置結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期和試驗時間。

5 結(jié)論

通過某中卡駕駛室前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程，論述了如何在給定空間，根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)的使用要求尋找出其材料的最佳布局方式，從而使車輛結(jié)構(gòu)最大限度地實現(xiàn)輕量化。

汽車輕量化不僅會減少結(jié)構(gòu)用材，而且會使燃油消耗率降低，同時降低尾氣排放量，據(jù)統(tǒng)計車輛每減重10%，每百公里可節(jié)省燃油6%-8%，尾氣排放量也相應(yīng)減少7%左右[1]。國務(wù)院發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，提出了非常嚴格的降油耗要求，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通常以校核為目的，很難找出最佳設(shè)計方案，用材裕度較大。而此次前懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的弊端，采用了當(dāng)前一系列的新技術(shù)手段，如多體載荷分解，多工況多約束邊界組合，采用拓撲優(yōu)化的方式，直接優(yōu)化出駕駛室前懸置結(jié)構(gòu)材料的最佳布局而實現(xiàn)了前懸置的輕量化設(shè)計。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計人員設(shè)計出的樣件一次性通過了實際強度試驗驗證和碰撞安全前拍工況的摸底試驗，這一優(yōu)化方法大大地縮短了前懸置結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期和試驗時間，也節(jié)省了開發(fā)試驗費用。說明CAE中的拓撲優(yōu)化技術(shù)可以作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的重要手段，同時也說明CAE技術(shù)在產(chǎn)品概念開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計階段具有重要的指導(dǎo)參考作用。

參考文獻：

[1]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，李楚琳．基于HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)? 北京.

機械工業(yè)出版社 2007.

[2]陳軍．MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實例? 北京 中國水利水電出版社 2008.

[3]陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]，2004.