結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在客車車身輕量化中的應用

摘要： 綜述了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法在汽車車身輕量化中的應用歷史和現(xiàn)狀。 對常見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進行了介紹和總結(jié)。 以一款客車車身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計為例， 探討了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的應用方法和實施過程。對優(yōu)化設計中的關(guān)鍵問題進行了闡述， 最后展望了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在未來車身輕量化中的應用趨勢和前景。

1 引言

隨著人們對汽車安全性、 舒適性和環(huán)保性能要求的提高， 越來越多的功能設備被安裝到汽車上， 直接增加了汽車的質(zhì)量與油耗， 提高了汽車尾氣排放量。 從汽車產(chǎn)品的整個生命和周期看， 油耗費用是生命和周期總費用的主體， 占汽車生命周期費用的 71％ ， 對用戶而言， 降低油耗費用以節(jié)約運行成本是迫切的要求。 據(jù)統(tǒng)計， 汽車每減輕其總質(zhì)量的 10％ ， 油耗可降低 6％～8％。 客車車身質(zhì)量占總質(zhì)量的 25％～30％ ， 車身制造成本占整車制造成本的比重超過 50％ 。 因此， 客車車身輕量化對整車的輕量化有著重要意義。

車身輕量化的目的在于確保車身強度、 剛度和模態(tài)等結(jié)構(gòu)特性要求的前提下， 減輕車身骨架的質(zhì)量。 車身輕量化不僅可以減少鋼材使用和燃油消耗，減少污染排放，提高車速，改善汽車起動和制動性能，而且可以有效減少振動和噪聲， 增加汽車和道路的使用壽命。

實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化主要有兩個途徑： 一是選用強度更高、重量更輕的新材料，例如鋁合金、高強度鋼材等；二是設計更合理的車身結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對車身零部件進行結(jié)構(gòu)和工藝改進等。 第一種途徑在目前看來是車身輕量化的主流， 針對規(guī)?；a(chǎn)的需要， 已有很多輕質(zhì)材料應用于車身制造工業(yè)， 如高強度鋼、 鋁合金和碳纖維等。 第二種途徑是利用有限元法和優(yōu)化設計等方法對車身進行結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設計， 以減小車身骨架和車身鋼板的質(zhì)量。 這兩種途徑又是相輔相成的， 必須采取材料替換和結(jié)構(gòu)改進相結(jié)合的方法， 才可能在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下， 最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自 1973 年石油危機以來， 世界各汽車廠在汽車上進行的輕量化研究進展較為明顯。 目前主要采用的輕量化措施有以下幾種。

（1）使用新材料實現(xiàn)車身輕量化

 A、使用密度小、 強度高的有色合金材料， 如鎂鋁合金。

 B、使用同密度、 同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼。

 C、 使用塑料聚合物、 陶瓷等非金屬材料。

（2）結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計， 對零部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前， 結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化的理論和方法已比較成熟， 形狀優(yōu)化有了很大發(fā)展， 人們已經(jīng)把研究重點轉(zhuǎn)向拓撲優(yōu)化等更高層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化放方法目前有解析方法和數(shù)值方法。 解析方法不大適合工程應用， 工程應用中常采用數(shù)值方法。連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計具有 2 個不同的求解體系， 國內(nèi)學者主要研究在于局部應力約束下的強度拓撲優(yōu)化設計，而國外研究主要圍繞全局體積約束下的剛度拓撲優(yōu)化展開。

在汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中已普遍采用拓撲優(yōu)化方法.YANG等研究了基于有限元軟件MSC.Nastran 的汽車車身、 底盤、 焊點位置等的拓撲優(yōu)化問題。 Wang 等利用有限元法與拓撲優(yōu)化方法對汽車車身的加強筋部分進行了優(yōu)化， 通過優(yōu)化設計， 在既定成本下汽車車身的整體剛度能夠得到充分的提高。

Ferdricson 等對拓撲優(yōu)化設計在汽車設計中的應用作了綜述， 重點介紹了車身設計中的拓撲優(yōu)化進展。 Eom 等對車身焊點配置進行了拓撲優(yōu)化， 在確保車身整體剛度要求的情況下， 得到焊點最佳位置， 使得焊點數(shù)量最少。 石琴等在結(jié)構(gòu)設計的開始階段引入拓撲優(yōu)化理論， 先對結(jié)構(gòu)進行布局優(yōu)化， 以獲得較合理的初始結(jié)構(gòu)方案， 再通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計，得到滿足其強大和剛度及設計工藝要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。 楊樹凱等用變密度法建立汽車支架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化數(shù)學模型， 利用有限元法進行了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計。 高云凱等把拓撲優(yōu)化設計理論引入某電動改裝車的承載式車身設計， 實現(xiàn)了多工況、 多狀態(tài)變量條件下的拓撲優(yōu)化設計，確定了車身的最佳結(jié)構(gòu)方案。 陳茹雯等利用基于有限元法的拓撲優(yōu)化設計車身大骨架的拓撲結(jié)構(gòu)， 經(jīng)優(yōu)化后的各項特性參數(shù)指標均有不同程度提高。

可見， 拓撲優(yōu)化正成為車身輕量化設計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段， 更廣泛的應用還有待進一步研究。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在車身設計中的應用

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法已經(jīng)被逐漸引入到汽車結(jié)構(gòu)設計過程中。 但大多數(shù)的工作主要集中在結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方面。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的研究分為三個層次： 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)確定的情況下進行的， 因此產(chǎn)生的效果是被限定在布局之內(nèi)。連續(xù)體拓撲優(yōu)化的最大優(yōu)點是能在不知道結(jié)構(gòu)拓撲形狀的前提下， 根據(jù)已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結(jié)構(gòu)形式。因此在工程設計的初始階段中非常有意義。它不涉及具體的結(jié)構(gòu)尺寸設計， 但可以提出最佳形狀設計方案。由于結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計在設計的初始階段即被引入， 所以與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比可以獲得更大的經(jīng)濟效益。

（ 1 ） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化問題的一般模式：

目標： min φ a （ p ）；

約束： φ a （ p ） ≤0 ；

設計空間： p 1 ≤p s ≤p u

其中， φ 是系統(tǒng)響應， 通常為車身結(jié)構(gòu)總質(zhì)量或總體積。 p 是設計變量。

拓撲優(yōu)化是在一定空間區(qū)域 （骨架結(jié)構(gòu)或連續(xù)體） 內(nèi)尋求材料最合理分布的一種優(yōu)化方法。 它的目標是根據(jù)一定的準則， 在滿足各種約束條件下， 在結(jié)構(gòu)上開孔、 打洞， 去除不必要的構(gòu)件和材料 （即結(jié)構(gòu)的構(gòu)建布局和節(jié)點連接關(guān)系的變化）， 使結(jié)構(gòu)在規(guī)定意義上達到最優(yōu)， 表現(xiàn)為 “最大剛度” 設計。 由于拓撲優(yōu)化設計自由度大， 所以通常用于設計初期和概念設計階段。

形貌優(yōu)化時一種形狀最佳化的方法， 它可以用來設計薄壁結(jié)構(gòu)的強化壓痕， 用來減輕結(jié)構(gòu)的重量， 同時又能滿足強度、 頻率等要求。

尺寸優(yōu)化是指通過改變單元厚度、 截面參數(shù)、 彈性和質(zhì)量屬性， 從而改善結(jié)構(gòu)的特性如降低設計重量、 減小應力、 提高頻率等。 它是目前國內(nèi)外廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法。

（ 2 ） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在客車車身輕量化中的應用在產(chǎn)品開發(fā)設計過程中引入拓撲優(yōu)化、 形貌優(yōu)化、 形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化， 能夠節(jié)約設計時間， 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期， 節(jié)約成本。

如上所述， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)由于其自身的優(yōu)越性， 在汽車車身輕量化設計中應用廣泛。 一個典型的大客車車身骨架結(jié)構(gòu)， 如圖 1 所示， 優(yōu)化流程如下。

（1）整體需求 （載荷及設計空間條件）。

（2）設計空間及載荷確定。

經(jīng)過拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化后的整車骨架結(jié)構(gòu)滿足剛度和模態(tài)性能的要求， 同時質(zhì)量得到了顯著的降低， 輕量化效果明顯。

4 結(jié)語

汽車零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在不影響零部件的強度和性能的基礎上， 通過設計質(zhì)量輕的產(chǎn)品達到降低汽車制造成本的目的。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常分為尺寸優(yōu)化、 形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化。 其中尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已經(jīng)比較成熟， 但對結(jié)構(gòu)優(yōu)化所起的作用有限。 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)約束、 載荷及優(yōu)化目標而尋求材料最佳分配的優(yōu)化方法， 主要應用在產(chǎn)品開發(fā)的初級階段， 是一種概念性設計， 對最終產(chǎn)品的成本和性能有著決定性影響。

隨著車身結(jié)構(gòu)輕量化的要求越來越高， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)尤其是拓撲優(yōu)化技術(shù)必將得到更為廣泛的應用和研究。