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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.同济大学的车辆工程主要研究什么,还有之后的就业方向
汽车学院的车辆工程的研究方向：
01 车辆整车设计及集成技术（汽车/轨道）
02 车辆电子技术（汽车）
03 汽车产品管理与营销（汽车）
04 车辆试验技术（汽车/轨道）
05 车身与空气动力学（汽车/轨道）
06 磁浮车辆技术（轨道）
铁道与城市轨道交通研究院车辆工程的研究方向：
01 车辆整车设计与集成技术
02 车辆电子技术
03 车辆试验技术
04 车身与空气动力学
05 磁浮车辆技术
中德学院车辆工程的研究方向：
01 车辆整车设计及集成技术
02 车辆电子技术
03 汽车产品管理与营销
04 车辆试验技术
05 车身与空气动力学
就业方向可根据读研时该专业的研究方向而定。
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车辆工程减震技术解析摘要：本文对车辆减震技术的原理、车辆减震器的数学模型及其外部特性进行了探讨，并在该技术发展的基础上，提出了电控减震技术将成为未来发展的必然趋势。
车辆减震技术不仅是改进车辆行驶的稳定性、操作性和乘坐的舒适性，还提高车辆的制动效率和轮胎寿命。：性车辆行驶平顺性的优劣直接关系到乘员的舒适性，并涉及汽车动力性和经济性的发挥，影响到零部件的使用寿命，所以它是同类车在市场竞争争取优势的一项重要性能指标。
而减震技术是确保车辆具有良好的行驶平顺性和安全性的有效保障。为了使车架与车身的震动迅速衰减，改善汽车行驶的平顺性和舒适性，车辆悬架系统上一般都装有减震器，减震器是汽车悬挂系统的组成部件，也是车辆主要零部件。
现代减震器一头连车身一头连车轮，既是整个车的承力件，又具有减少和吸收车身震动的功能。1车辆减展的工作原理减震器实质就是一个阻尼元件。
当有外界激励时，它起缓冲、吸收和消耗能量的作用，把机械能转换成其他形式的能量散发到周围环境中去。液压减震器内设有多个阻尼孔及阀门机构，液压油在孔道中来回流动时产生摩擦阻尼作用，吸收车体振动的能量，从而达到衰减振动的目的。
2车辆减震器的主要数学模型及外部特性2.t主要数学模型减震器数学模型的建立一直是汽车动力学领域中的重要研究课题。就被动悬架减震器的研究而言，已建立了三类数学模型，”。
第一类为复杂非线性模型。该类模型是应用流体力学中的物理定律，根据减震器内部油液的流动情况建立的。
模型中参数较多，如Segel及腼g模型有82个参数。该类模型可用于研究减震器本身的特性，但不能方便地用于汽车动力学系统的仿真。
第二类是线性化模型，如Wallaschek模型。该类模型不能比较准确地描述减震器配特性。
第三类是简单非线性模型。该类模型是通过试验的方法建立的，模型虽然仅含有较少的参数，但能比较准确地描述减震器的性能又能方便地用于汽车动力学系统仿真。
该类模型的典型代表是剑桥大学Besinger等人的7参数模型。该模型在10HZ以内与试验结果比较吻合，标志减震器数学模型研究的最新进展。
Besinger模型。将真实的减震器简化为某种物理模型。
图1是一种可能的物理模型，由一阻尼器与一非线性弹簧组成。阻尼器的阻尼力与输人速度vi及弹簧压缩速度v。
之间的差值成分段线性关系，弹簧的弹性力与其位移成非线性关系。因阻尼器与弹簧串联，阻尼力与弹性力相等，均用F表示，该力也是减震器的输出阻尼力。
针对该物理模型，Besinger提出了如下的非线性数学模型无、x。+k挤D3C(:)(l)k.xo+无拼O3C2+赞一‘一F二左伟。
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公。=劣‘公。
二劣。模型中仅含C，、CZ、C，、a、。
、k.、k,7个参数，能获得这些参数值，模型就确定了。
2.2减震器的外部特性减震器的外特性可以用力位移关系表示，’1如图2、图3所示。它表示减震器在压缩和复原行程中阻力的变化特性，上部为复原行程，下部为压缩行程。
从两图中可以很直观地看出复原或压缩时的最大阻力值，也可以看出一个工作循环内所吸收的功，即图中封闭曲线所包围的面积所以该曲线也称为示功图。通过测取减震器的示功图，可以考查减震器阀门设计的效果如何，是否符合设计要求及在各种工况下，减震器的正常工作状况和产生故障的原因。
好的减震器产品，其力拉移特性的示功图应丰满、圆滑，不应有空行程、畸变等现象；通过观察减震器的示功曲线可以快速判断减震器性能的好坏，如图2所示的示功图表明该减震器的减振效果较为理想，而图3所示的示功图因右侧出现明显行程，复原阻力不足，表明该减震器减振效果不佳，所以减震器出厂时应当每支产品都附有示功曲线图。3车辆减展的发展世界上第一个有记载的减震器是1897年发明的，把橡胶块与叶片弹簧的端部相连，当悬架被完全压缩时，橡胶减震块就碰到连接在汽车大梁上的一个螺栓，产生止动。
这种减震器在很多现代汽车悬架上仍有使用，但其减震效果很小。第一个实用的减震器是1898年由法国人特鲁芬特研制成功并被安装到摩托赛车上，该车的前叉悬置于弹簧上，同时与一个摩擦阻尼件相连，以防止摩托车的振颤。
1899年哈德福特和特鲁芬特联合，制成了第一个汽车减震器，并把它装到哈德福特的乌兹莫别汽车上。随后，该减震器与前轮螺旋弹簧一起被安装到1906年生产的布鲁舒小型轻便汽车上。
从此以后，减震器的结构发展经历了以下几种发展形式141：加布里埃尔减震器。它是由固定在汽车大梁上的罩壳和装在其里面的涡旋形钢带组成，钢带通过一个弹簧保持其张力，钢带的外端与车桥轴端连接，以限制由振动引起的弹跳量。
平衡弹簧式减震器。这是加到叶片弹簧上的一种辅助螺旋弹簧。
由于每一个弹簧都有不同的谐振频率，它们趋向于抵消各自的振颤，但同时也增大了悬架的刚性，所以很快就停止了使用。空气弹簧减震器。
空气弹簧不仅兼有弹簧和吸振的作用，而且。
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ABS与汽车制动系统 汽车的制动性也是汽车的主要性能之一。
自从汽车诞生之日起，汽车的制动性就显得至关重要；并且随着汽车技术的发展和汽车行驶车速的提高，其重要性也显得越来越明显。制动性直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关。
所以，汽车的制动性是汽车行驶的重要保障。 汽车的制动性及其评价指标 汽车行驶时能在短距离内停车并且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力，以及汽车在一定坡道上能长时间停车不动的驻车制动器性能称为汽车的制动性。
汽车的制动性主要由制动效能、制动效能的恒定性和制动时汽车的方向稳定性三方面来评价。 一、提高汽车安全性的制动控制系统 有汽车参与的交通事故中，事故的预防、事故的回避、乘客保护等安全领域与汽车的运动性能有密切的关系。
事故预防中起主要作用的是驾驶员，事故发生瞬间对乘客保护主要是汽车的被动安全设备起作用，而事故的回避则与汽车的制动控制系统有紧密的关系。在事故预防环节中人和环境的作用是主要的，在事故回避环节中车的作用是主要的。
在汽车中，提高安全性的制动控制系统除了ABS、TCS、ESP(VSC、VDS)等，另外还有BAS(Brake Assist System，制动器辅助系统)。 制动辅助系统BAS是当紧急刹车时，根据踩的速度、力度，制动系统自动感知而输出更强的制动力。
它的工作原理是，令刹车泵里的真空量增加，使你一脚踩下去，制动力度大大提高，从而提高了驾驶安全性。即使车子已经熄火了，它还会使刹车制动能力保持一段时间。
它的功能是在紧急制动时，提供一个附加的制动力来帮助没能及时形成较大制动力的驾驶员，制动助力加快制动踏板的移动；当司机施加在制动踏板上的制动力不太大时，增加制动力，使车辆的紧急制动性能最佳。有关调查显示，约有90%的汽车驾驶员紧急情况刹车时缺乏果断，而BAS则能从驾驶员踩下制动踏板的速度，探测车辆行驶情况。
紧急情况下，当驾驶员迅速踩下制动踏板力度不足时，BAS便会启动，并在不足1秒的时间内把制动力增至最大，从而缩短紧急制动刹车距离。 ABS虽然能够缩短刹车距离，但如果驾驶员采用点刹时，车轮往往不会抱死，ABS没有机会发挥作用。
而制动辅助BAS，则让现有的ABS具有一定的智能。当驾驶者迅速用力踩下刹车踏板时，BAS就会判断车辆正在紧急刹车，从而启动ABS，迅速增大制动力。
二、ABS系统的保养与正确使用 ABS（防抱死制动系统）作为一种主动安全装置，在现代汽车上运用已经很广泛了。由于其在制动过程中的控制方式及工作过程与以往普通的制动系统有所区别，因此在使用保养方面也与传统的制动系统有所不同，否则会引发ABS系统故障。
总结多年的维修经验，笔者认为车主在使用装有ABS系统的汽车时要做到“四要”、“四不要”。 四要 （1）要始终将脚踩住制动踏板不放松。
这样才能保证足够和连续的制动力，使ABS有效地发挥作用。 （2）要保持足够的制动距离。
当在良好路面上行驶时，至少要保证离前面的车辆有3s的制动时间；在不好的路面上行驶，要留给制动更长一些的时间。 （3）要事先练习使用ABS，这样才能使自己对ABS工作时的制动踏板振颤有准备和适应能力。
（4）要事先阅读汽车驾驶员手册。这样才能进一步理解各种操作。
四不要 （1）不要在驾驶装有ABS的汽车时比没有装ABS的汽车更随意。有些车主认为汽车装有ABS后，安全性加大，因此在驾驶中思想就会放松，为事故埋下隐患。
（2）不要反复踩制动踏板。在驾驶有ABS的车时，反复踩制动踏板会使ABS的工作时断时续，导致制动效能降低和制动距离增加。
实际上，ABS本身会以更高速率自动增减制动力，并提供有效的方向控制能力。 （3）不要忘记控制转向盘。
在制动时，ABS系统为驾驶者提供了可靠的方向控制能力，但它本身并不能自动完成汽车的转向操作。在出现意外状况时，还得需要人来完成转向控制。
（4）不要在制动过程中，被ABS的正常液压工作噪声和制动踏板振颤吓住。这种声音和振颤都是正常的，且可让驾驶者由此而感知ABS在工作。
经过了一百多年的发展，汽车制动系统的形式已经基本固定下来，但是随着电子（特别是大规模、超大规模集成电路）的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。BBW（全电路制动，Break-By-Wire）系统的出现，将会彻底颠覆使用液压油或空气作为传力介质的传统制动系统。
全电制动不同于传统的制动系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。 与传统的制动系统相比，BBW具有很多优点：结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置、液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低；制动时间短，提高制动性能；无制动液，维护简单；系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构；采用电线连接，系统耐久性能良好；易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。
作为一种全新的制动系统，BBW给制动系统带来了巨大的变革，为将来的车辆智能控制提供条件。但。
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