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浅谈车辆工程CAE中拓扑优化技术的应用 摘要：针对车辆工程中不同车型部件结构的特点，阐述了结构拓扑优化设计的一般流程，报告了代表性较强的相关软件应用现状与发展，包括优化过程中有限元分析模型的数据转换、分析计算、CAD优化模型提取。
对提高整车零部件刚度、降低车身骨架及各零部件自重的优化分析应用研究进行了概括。实例论证了应用有限元法进行机械承载结构拓扑优化设计是一种有效的优化方法，可为机械结构及零部件轻量化设计提供重要的概念化设计参考，对今后结构优化中拓扑优化技术发展方向、应用范围及趋势作出了展望。
关键词：车辆工程；结构优化；拓扑优化；有限元分析；轻量化设计 结构优化设计是一门复杂的多标准[1,2,6]、多学科[2,4]优化理论，按其构造结构优化模型或优化层次可分为三种形式[1,2]：尺寸优化问题（Sizing optimiza-tion）、形状优化问题及材料选择（Shape optimizationand material selection）、拓扑优化问题（Topology opti-mization）。拓扑优化通常又被称为布局优化（或布置优化、广义形状优化），其重要性在于在概念阶段进行适当拓扑结构的选择，通常在开发新型产品的效率上最具有决定性的因素。
在设计过程早期阶段（概念和项目定义阶段），在给定设计目标和约束条件下寻求可能达到的最佳拓扑或布局对于新产品的开发是非常重要的。1拓扑优化在车辆工程中的应用发展及现状拓扑优化在汽车工业中的应用，国外在此方面的研究开始较早[2,5]，已近20年，下面是一些实例：托里诺工程大学G.Chiandussi等人运用拓扑优化对某中型商用车后悬架副车架所存在的问题进行改进设计，所开展的优化方法基于优化标准体积约束下的总势能最大化；瑞典沃尔沃汽车公司的H.Fredricson运用灵活铰链联接的框架结构模型对于有关框架拓扑优化中联合惩罚与材料选择问题进行了研究，引入两组设计变量，目标是找出在满足刚度要求前提下最具轻量化的设计方案，提出了向典型框架拓扑优化的两方面的延伸，即结构铰接惩罚及材料查补策略。
国内对此方面研究在20世纪末本世纪初的十年里，特别是在近几年应用日趋活跃[8,9]，如：广州本田汽车公司的杜海珍等人[10]将有限元分析与结构拓扑优化相结合，依据汽车车架的结构受力特性及其材料的性能要求，建立了优化数学模型，构建了应力约束下车架拓扑优化准则，并开展了车架结构的仿真设计，得到了合理的结果，以及蔡少群等人针对薄板类的车身内部钣金件，利用ANSYS软件的拓扑优化功能，以单元厚度作为设计变量，对零件的模态进行优化，并形成“伪厚度”图，在后续的设计中将厚度较小的部位删除，厚度较大的部位则进行结构强化，可以迅速得到零件的优化结构；同济大学的高云凯等[9]把拓扑优化设计理论引入某电动改装车的承载式车身设计，利用先进的有限元分析软件，在电动改装轿车车身结构拓扑优化分析中实现了多任务况、多状态变量条件下的拓扑优化设计，确定了下车身的最佳结构方案，进而在此基础上建立了新的有限元模型，并进行了模态、刚度和强度分析，设计出最终的下车身改造结构。以上是一些较典型的实例，可以看出，拓扑优化技术已经渗透于汽车设计始终，形成了汽车界一项较热门的研究领域。
2拓扑优化特点及流程2.1拓扑优化特点车辆产品研发流程一般可分为四个阶段：1）概念设计阶段；2）详细设计阶段；3）产品定型阶段；4）批量生产后结构改进设计。国内外学者已经进行了大量的研究和应用探索，最终得出两个影响车身概念开发CAE的关键环节：实现不同设计方案所需分析模型的快速构造和对尺寸的编辑修改；快速实现多个方案的性能比较和结构优化设计（由于结构分析方法的进步和强大的功能分析软件的应用，此环节技术已相对成熟）。
在概念开发阶段就着手进行结构的拓扑优化，有助于减少开发过程中的设计反复，缩短开发周期，提高产品竞争力。这就要求尽可能地利用有限的信息建立简化的模型，作为分析的基础，力求能反映产品的静态与动态响应要求，用于设计方案的评估及优选。
并随设计阶段的深入，计算机辅助设计模型的细化程度也不断增加。由图1可知，拓扑优化设计与传统设计、CAE分析设计的根本区别是：拓扑优化将产品试制环节从结构分析环节中分离出来，避免了产品基本定型前的实际样车生产，从而达到既节约成本又提高效率的目的。
2.2一般流程拓扑优化是在一定空间区域（骨架结构或连续体）寻求材料最合理分布，是一个迭代过程，力求在满足如体积方面约束条件的同时，将结构的柔性降至最低。利用专业的三维软件UG、Pro-E或CATIA建模，数据输入的一般准则：如果有相关接口，则应首选它来输入模型，否则，使用IGES输入采用IGESCat5./IGESPro./IGESUg或PS-Exchange数据转换软件将其转换为IGES文件形式，读入ANSYS进行数据前处理，之后配合拓扑优化模块，进行拓扑优化分析；但由于ANSYS软件对于大型、复杂结构件的拓扑优化设计的局限性，也可将IGES文件直接输入自身带有拓扑优化模块的软件如OpitStruct、Genesis中进行分析。
总的分析进程及现有的软件见图。
2.车架的桁架式车架
桁架式车架由钢管组合焊接而成。具有刚度大、质量小的特点，但制造困难，主要用于赛车。
此外，还有一些其他类型的车架。目前，在某些高级轿车上采用了一种ISR型车架。后部车架与前部车架用活动铰链连接，后驱动桥总成（主减速器、差速器）安装在后车架上，半轴与驱动车轮之间用万向节连接。后独立悬架连接在后车架上。这样，不仅由于独立悬架可使汽车获得良好的驾驶平顺性，而且活动铰链处的橡胶衬套也使整车获得一定的缓冲，从而进一步提高了汽车的驾驶平顺性。
有的轿车为了减轻整车质量，尽量做到轻量化而采用了半车架。半车架就是在车身前部有一部分车架，发动机和前悬架安装在车架上，这样可使车身局部得到加强。
部分轿车和一些大客车车取消了车架，而以车身兼起车架的作用，即将所有部件部件固定在车身上，所有的力也由车身来承受。这种车身称为承载式车身[1]。
4车架发展
大梁式和承载式车架是占绝大多数的主流车架形式，但它们都分别有着显著的缺点，即笨重和刚度不足。出现了融合这两者优点和车架设计方案，三菱PAJEROIO的独创车架，在承载式结构的车厢底部增加了独立的钢框架，可以认为是简化的大梁结构，从而在保证刚度的同时，重量和重心又比大梁式结构大为下降。另一个例子是本田S2000，由于对性能要求很高，而敞篷车身的刚度不足，于是在承载式车架的底部加焊了类似大型横梁的补强结构，从而增强了刚度。今后这种“杂交”车架的形式肯定会更层出不穷。
5受力形式
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