結構優化設計在客車車身輕量化中的應用

摘要： 綜述了結構優化設計方法在汽車車身輕量化中的應用歷史和現狀。 對常見的結構優化技術進行了介紹和總結。 以一款客車車身骨架結構優化設計為例， 探討了結構優化設計的應用方法和實施過程。對優化設計中的關鍵問題進行了闡述， 最后展望了結構優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量與油耗， 提高了汽車尾氣排放量。 從汽車產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， 降低油耗費用以節約運行成本是迫切的要求。 據統計， 汽車每減輕其總質量的 10％ ， 油耗可降低 6％～8％。 客車車身質量占總質量的 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、 剛度和模態等結構特性要求的前提下， 減輕車身骨架的質量。 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。

實現車身結構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構，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構和工藝改進等。 第一種途徑在目前看來是車身輕量化的主流， 針對規模化生產的需要， 已有很多輕質材料應用于車身制造工業， 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化設計等方法對車身進行結構分析及優化設計， 以減小車身骨架和車身鋼板的質量。 這兩種途徑又是相輔相成的， 必須采取材料替換和結構改進相結合的方法， 才可能在保證汽車整體質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量。

2 國內外研究現狀

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）結合有限元法與結構優化設計， 對零部件進行結構優化

目前， 結構斷面優化的理論和方法已比較成熟， 形狀優化有了很大發展， 人們已經把研究重點轉向拓撲優化等更高層次的結構優化問題。

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

在汽車輕量化結構優化設計中已普遍采用拓撲優化方法.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化問題。 Wang 等利用有限元法與拓撲優化方法對汽車車身的加強筋部分進行了優化， 通過優化設計， 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化進展。 Eom 等對車身焊點配置進行了拓撲優化， 在確保車身整體剛度要求的情況下， 得到焊點最佳位置， 使得焊點數量最少。 石琴等在結構設計的開始階段引入拓撲優化理論， 先對結構進行布局優化， 以獲得較合理的初始結構方案， 再通過結構參數優化設計，得到滿足其強大和剛度及設計工藝要求的最優結構。 楊樹凱等用變密度法建立汽車支架結構拓撲優化數學模型， 利用有限元法進行了結構拓撲優化設計。 高云凱等把拓撲優化設計理論引入某電動改裝車的承載式車身設計， 實現了多工況、 多狀態變量條件下的拓撲優化設計，確定了車身的最佳結構方案。 陳茹雯等利用基于有限元法的拓撲優化設計車身大骨架的拓撲結構， 經優化后的各項特性參數指標均有不同程度提高。

可見， 拓撲優化正成為車身輕量化設計中結構優化的重要手段， 更廣泛的應用還有待進一步研究。

3 結構優化技術在車身設計中的應用

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

（ 1 ） 結構優化技術

優化問題的一般模式：

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 是系統響應， 通常為車身結構總質量或總體積。 p 是設計變量。

拓撲優化是在一定空間區域 （骨架結構或連續體） 內尋求材料最合理分布的一種優化方法。 它的目標是根據一定的準則， 在滿足各種約束條件下， 在結構上開孔、 打洞， 去除不必要的構件和材料 （即結構的構建布局和節點連接關系的變化）， 使結構在規定意義上達到最優， 表現為 “最大剛度” 設計。 由于拓撲優化設計自由度大， 所以通常用于設計初期和概念設計階段。

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

尺寸優化是指通過改變單元厚度、 截面參數、 彈性和質量屬性， 從而改善結構的特性如降低設計重量、 減小應力、 提高頻率等。 它是目前國內外廣泛使用的一種結構優化設計方法。

（ 2 ） 結構優化技術在客車車身輕量化中的應用在產品開發設計過程中引入拓撲優化、 形貌優化、 形狀優化和尺寸優化， 能夠節約設計時間， 縮短產品開發周期， 節約成本。

如上所述， 結構優化技術由于其自身的優越性， 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構， 如圖 1 所示， 優化流程如下。

（1）整體需求 （載荷及設計空間條件）。

（2）設計空間及載荷確定。

經過拓撲優化和尺寸優化后的整車骨架結構滿足剛度和模態性能的要求， 同時質量得到了顯著的降低， 輕量化效果明顯。

4 結語

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

隨著車身結構輕量化的要求越來越高， 結構優化技術尤其是拓撲優化技術必將得到更為廣泛的應用和研究。