結構優化設計在客車車身輕量化的運用

黃忠橋

武漢英康匯通電氣有限公司 430040

1 前言

隨著經濟與社會的高速發展，人們對生活質量的要求越來越高。相應地，人們對于最常用的交通工具——汽車的要求也隨之提高。為了滿足人們的汽車需求，各種各樣性能的設備被安裝在汽車上，這無疑增加了汽車的車重，進而油耗和汽車的尾氣排放也隨之增加。有關數據顯示，在汽車生命周期的總體費用中，油耗消費是其中費用最多的一項，占總體費用的七成左右，所以，降低油耗對個體用戶節約成本或社會資源的可持續發展都非常有意義。客車車身質量占車總質量的三成左右，但車身的制造成本卻占到總成本的一半。也就是說，車身輕量化對于客車來說更有意義。

車身輕量化的主要目的是減少車身骨架的質量，但是在減少車身質量的同時，還要確保車身強度、模態等特性能夠達到相關標準。在此前提下，對車身進行輕量化，不僅可以降低材料投入和油料消耗，還可以提高車輛的整體性能。減少因車身質量而產生的無效震動和噪聲，最終能增加汽車的使用周期，甚至可以延長道路的使用壽命。

當前，有兩種方法可以實現車身輕量化，第一種方法是選擇高性能的新型材料。從現在行業整體角度看，該方法占據車身輕量化的主流。為了滿足當前大規模生產的需要，車身制造業都選擇輕質材料，例如，質量輕的鋁合金、強度高的鋼材等等。第二種方法則是更為高效合理的方法——有限元法，此法通過優化客車車身的結構組成，提高車身結構的科學可行性，從而實現車身質量的輕量化。上述兩種方法相輔相成，互相促進，想要在不影響汽車整體性能和質量的前提下，盡可能的降低各個零件的質量，就必須將改變材料和改進結構兩者有機結合起來。

2 國內外研究現狀

從1973年石油危機爆發開始，分布在全球各地的汽車企業在汽車輕量化研究方面都取得了顯著的成果。當前汽車輕量化的手段主要有以下幾種：

2.1 車身輕量化——選擇新型材料

2.1.1 選擇高強度、小密度的有色合金材料，典型代表：鎂鋁合金。

2.1.2 選擇具有相同彈性模量和密度的、截面薄的、工藝性能良好的、強度高的鋼材。

2.1.3 選擇陶瓷、塑料高聚合物等非金屬材料。

2.2 零件結構優化——將結構優化設計和有限元法有機結合起來

現階段，優化結構截面的技術和理論體系已經很完善，形狀優化也有了顯著的發展，使得拓撲優化或更深層次的結構優化成為了本行業研究者研究的重點和熱點領域。

目前，結構拓撲優化的手段主要有數值法和解析法兩種。其中，工程應用一般不選擇解析法，而是采用數值法。在連續體結構拓撲優化過程中存在著兩種完全不一樣的求解體系，我們國家的研究者多半研究的是在局部應力約束或控制下的強度拓撲優化設計，而國外的研究者則把研究重點放在全局體積約束下的剛度拓撲優化上。

拓撲優化法在汽車車身輕量化方面已得到較為廣泛的應用。目前，國外學者在該方面的主要研究成果有以下四個方面：一是在以有限元軟件M SC.Nastran為基礎的汽車車身、焊接點、底盤等相關位置的拓撲優化；二是在優化汽車車身的加強筋部位時，充分利用有限元法和拓撲優化法，優化設計之后，可以在很大程度上提高汽車車身的整體強度，但是實現該目標的前提是不超出設定的成本；三是對拓撲優化技術進行深入研究和相關改進，并將拓撲優化技術的發展作為研究工作的重點；四是在保證車身整體剛度達到要求的同時，對車身的焊接點位置進行一系列的拓撲優化，從而找到最佳的焊接點位置，盡可能得降低焊接點的數目。國內的學者在該方面研究的成果則主要體現在以下四點：一是將拓撲優化的相關理論知識應用到結構設計的起始階段，首先對結構進行布局上的優化，從而得到科學的初始結構，然后對結構參數進行進一步的優化設計，最終得到能夠滿足設計工藝、強度和剛度等方面要求的最佳結構方案；二是充分利用改變密度法來建立汽車支架結構模型，并用有限元法對其進行結構優化；三是在電動改裝車身設計過程中充分運用拓撲優化設計的相關理論知識，從而實現了在多狀態變量、多工況的情況下進行拓撲優化設計，最終確立車身設計的最佳結構手段；四是利用有限元法對車身大骨架進行合理優化，使其各項有關性能都有所增加。

由此可見，拓撲優化正逐漸成為車身輕量化設計過程中進行結構優化的主要方法，其更為廣泛的應用還需要研究者進行更加深入地探索和研究。

3 結構優化設計在車身制造中的應用

結構優化技術越來越多的被運用到汽車車身的設計中，但是，到目前為止其重點應用區域還是結構尺寸優化。結構尺寸優化技術是較為淺顯的一種優化方法，相對來說，較為深層一點的優化還有結構形狀優化和結構拓撲優化。但是，由于受結構優化技術的限制，結構尺寸優化是目前運用最為廣泛的一種方法。這種優化方法是在車身設計一頂，在布局不改變的前提下，對車身的尺寸進行優化，所以，其效果相對來說較為一般。而拓撲優化則是按照參數要求，對車身的結構、布局等進行優化，從而得到合理的車身結構模型。因此，在汽車設計的初級階段，拓撲優化可以在不考慮具體結構尺寸的情況下，還能設計出汽車車身形狀的最佳方案。在當前以結構尺寸優化和形狀優化為主的現狀下，結構拓撲優化技術的應用無疑是結構優化設計的一大進步，可以大大提高汽車產業的經濟效益。

3.1 結構優化技術簡介

優化技術的普遍模式：

目標：min φa（p）；

約束：φa（p）≤0；

設計空間：p1≤ps≤pu

在以上模式中，φ代表著車身的總質量（或總體積），p代表設計變量。

在一定的空間布局內，拓撲優化是尋求投入材料最優良的方法。它的具體優化方法一般為：在一定約束條件下，滿足各種要求的同時，對材料結構進行處理，舍棄不需要的材料和組件，使結構在一定程度上達到最優狀態，在設計意義上表現為“最大剛度”。由以上敘述可知，拓撲優化設計的自由空間相對來說還是比較大的，所以，拓撲優化設計常常被應用于車身的概念設計階段。

相對于拓撲優化，形狀優化則是更注重形狀最佳化的一種設計方法。在優化的過程中，它可以同時滿足質量、強度、頻率等各方面的要求。

在三種不同層次的優化方法中，尺寸優化是最直觀的一種優化方式。它一般是通過改變結構單元的厚度、彈性和質量等參數，來達到質量優化的目的。到目前為止，這種方法是應用最為廣泛的一種方法。

3.2 結構優化設計在客車車身建成中的應用

在車身的研究開發階段，結構優化技術（尺寸優化、形狀優化、拓撲優化）的應用可以大大減少研發時間，降低產品的研發周期和成本投入。

接下來，本文以一輛典型大客車的車身骨架結構為例（圖1），簡要地介紹其結構優化流程。

圖1 典型的大客車車身骨架結構

1）整體需求及空間和荷載量的規劃

2）劃分網格，建立有限元模型（圖2）

圖2 客車有限元模型

3）進行拓撲優化，建立優化后的C A D模型（圖3）

圖3 基于拓撲優化結果的CA D模型

4）重新生成細化的網格，并進行尺寸優化（圖4）

圖4 結構尺寸優化

5）得到最終的有限元模型（圖5）

圖5 最終的有限元模型

經過結構優化的客車的整個車身骨架可以滿足車身的各種要求，如強度要求、剛度要求以及模態方面的要求等等，同時還大大降低了車身的質量，取得明顯的輕量化效果。

4 結語

本文主要介紹了當前對車身進行輕量化的三種常用方法：結構尺寸優化、結構形狀優化和結構拓撲優化，并說明了各種優化方法的使用條件，進而對其優缺點進行了比較。在我們所闡述的三種結構優化方法中，尺寸優化和形狀優化相對來說比較成熟，應用也較為廣泛，但是他們對結構優化的效果卻遠遠不如結構拓撲優化。結構拓撲優化是一種概念性設計方法，是一種根據各種約束條件來設計材料分配最佳方案的一種優化方法，對產品的整體成本和最終性能狀態都有決定性影響。

隨著人們對車輛輕量化的要求越來越高，更為高效合理的結構優化技術必定會被開發出來，而結構優化技術也勢必會被應用到車輛設計的各個環節，最終成為車輛研發過程中不可缺少的關鍵性技術。

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