以輕量化為目標(biāo)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法綜述

趙賢珠

摘 要：越來(lái)越多的汽車(chē)保有量引起排放和油耗問(wèn)題。車(chē)身作為整車(chē)的重要組成部分，其輕量化有助于提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放。文章介紹了拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化三種優(yōu)化方式在汽車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并對(duì)車(chē)身輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：輕量化；拓?fù)鋬?yōu)化；尺寸優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0087-02

引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，汽車(chē)保有量越來(lái)越多。汽車(chē)在帶來(lái)方便快捷的同時(shí)，其油耗排放等問(wèn)題也越來(lái)越引起大家的重視。汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量約占汽車(chē)總重的40%，空載情況下油耗約占整車(chē)油耗的70%[1]。其輕量化的目標(biāo)在于盡可能降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗和排放，并且提高操穩(wěn)性以及碰撞安全性。本文通過(guò)總結(jié)車(chē)身輕量化優(yōu)化方法，介紹不同的優(yōu)化步驟，并對(duì)車(chē)身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行展望。

1 汽車(chē)車(chē)身輕量化研究背景

汽車(chē)自1886年誕生至今有一百多年的歷史，汽車(chē)車(chē)身的研究起步相對(duì)較晚，但是其作為汽車(chē)的重要組成部分，在整車(chē)結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。研究表明，汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量每減輕1%，相應(yīng)油耗降低0.7%[2]。

輕量化研究，是在滿(mǎn)足安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性的前提下，盡可能降低車(chē)身質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合目標(biāo)[3]。輕量化的實(shí)現(xiàn)不僅滿(mǎn)足了汽車(chē)的基本性能要求，且緩解了能源危機(jī)和環(huán)境污染的壓力，也沒(méi)有提高汽車(chē)設(shè)計(jì)制造成本，故汽車(chē)車(chē)身輕量化的研究引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

2 輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

目前，以汽車(chē)車(chē)身輕量化為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包括拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)通常由目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量、約束條件三個(gè)因素組成。拓?fù)鋬?yōu)化是在整體優(yōu)化之前，設(shè)計(jì)空間確定后對(duì)材料布置格局進(jìn)行優(yōu)化，但是拓?fù)鋬?yōu)化是從宏觀出發(fā)，在某些細(xì)節(jié)方面可能并沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)，因此在拓?fù)鋬?yōu)化之后需要進(jìn)行尺寸和形狀優(yōu)化。

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是在給定的空間范圍內(nèi)，通過(guò)不停地迭代，重新規(guī)劃材料的分布和連接方式；是在工程師經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，明確目標(biāo)區(qū)域和目標(biāo)函數(shù)，確定變量以及約束條件，使車(chē)身結(jié)構(gòu)最終既滿(mǎn)足性能要求又減輕了質(zhì)量[4]。拓?fù)鋬?yōu)化通常將有限元分析和數(shù)學(xué)算法結(jié)合起來(lái)。

2.1.1 拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型

拓?fù)鋬?yōu)化通常以車(chē)身質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料厚度為變量，模態(tài)和剛度為約束條件。其數(shù)學(xué)模型為：

minf（X）=f（x1，x2…xn）；

s.t.g（X）>0；

ai

其中，x1，x2…xn為設(shè)計(jì)變量。

2.1.2 拓?fù)鋬?yōu)化的基本步驟和實(shí)例

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之前首先需要確定設(shè)計(jì)區(qū)域，設(shè)計(jì)變量和約束條件。然后通常進(jìn)行有限元模態(tài)分析和靈敏度分析，使靈敏度小的部分不參與優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上利用軟件進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵诿看蔚挠?jì)算中都有參數(shù)的改變，所以需要經(jīng)過(guò)較多次的迭代，最終使其分布最優(yōu)。在軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程中，用戶(hù)對(duì)于每一次的迭代均可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

目前拓?fù)鋬?yōu)化中用到的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法包括優(yōu)化準(zhǔn)則法、移動(dòng)漸近線法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、遺傳算法、進(jìn)化算法等。使用較多的是優(yōu)化準(zhǔn)則法和移動(dòng)漸近線法，優(yōu)化準(zhǔn)則法適于求解少約束問(wèn)題，后者偏重于多約束問(wèn)題[5][6]。

周定陸等[7]建立參數(shù)化模型，不僅將下車(chē)體質(zhì)量減少了23kg，而且模態(tài)和剛度在原有的性能上略有上升。王登峰等[8]基于拓?fù)鋬?yōu)化使大客車(chē)車(chē)身骨架質(zhì)量減少約11%，且剛度強(qiáng)度等性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料分布確定的前提下，對(duì)各桁架結(jié)構(gòu)尋找梁最合適的橫截面積、幾何尺寸，使得車(chē)身質(zhì)量最小且滿(mǎn)足剛度等要求的優(yōu)化方法。相對(duì)來(lái)說(shuō)，尺寸優(yōu)化建立數(shù)學(xué)模型較容易，計(jì)算簡(jiǎn)單，在實(shí)際工程中可以較快取得最優(yōu)

解[9]。也可以說(shuō)，尺寸優(yōu)化是拓?fù)鋬?yōu)化的進(jìn)一步完善和發(fā)展。

2.2.1 尺寸優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

尺寸優(yōu)化以車(chē)身質(zhì)量最小為目標(biāo)，幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量，剛度以及各變量尺寸限制作為約束條件。

2.2.2 尺寸優(yōu)化的基本步驟和實(shí)例

利用有限元分析劃分單元，再進(jìn)行靈敏度分析，排除不參與優(yōu)化的單元。為了減少計(jì)算量，通常采用近似模型，然后對(duì)近似模型進(jìn)行求解。劉開(kāi)勇[10]利用超拉丁實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，采集車(chē)身的剛度和模態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立一階響應(yīng)面模型。潘鋒[11]通過(guò)建立組合近似模型，減少優(yōu)化過(guò)程的計(jì)算量，提高效率。

常用的近似模型有響應(yīng)面模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)模型、kriging和支持向量回歸模型等[10][12]。通過(guò)對(duì)一階近似模型進(jìn)行分析，計(jì)算不同的權(quán)系數(shù)并進(jìn)行加權(quán)疊加構(gòu)成的組合模型在滿(mǎn)足模態(tài)和剛度要求的前提下，又兼顧了汽車(chē)碰撞安全性、NVH和疲勞等性能影響，且精度更高，因此組合近似模型在多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化方面更勝一籌。

張偉[13]等采用遺傳算法，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和車(chē)身尺寸優(yōu)化，不僅將質(zhì)量降低35%，而且使剛度提高了80%以上。康元春等[14]采用DOE及極差分析和方差分析，確定車(chē)身骨架梁截面最優(yōu)尺寸方案，使車(chē)身骨架質(zhì)量減輕了123.5kg。

2.3 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何形狀，通常包括桁架結(jié)構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)位置的優(yōu)化；結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔的形狀、尺寸的優(yōu)化以及連續(xù)體邊界尺寸的優(yōu)化[15]。早期，與尺寸優(yōu)化相比，形狀優(yōu)化模型建立比較困難，建立的模型質(zhì)量通常比較差，影響后期模型的優(yōu)化求解，尺寸優(yōu)化的發(fā)展受到了限制。后來(lái)，網(wǎng)格變形技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)化了形狀優(yōu)化模型的建立[16]。形狀優(yōu)化的過(guò)程與尺寸優(yōu)化相似，通常也需要建立近似模型。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算量大，應(yīng)用受到一定限制。尺寸、形狀優(yōu)化在多數(shù)軟件中都有專(zhuān)門(mén)的模塊，應(yīng)用較多。為了解決計(jì)算困難問(wèn)題，優(yōu)化算法有待突破，算法的突破也是車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步發(fā)展的重要前提。

（2）有限元分析方法在車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化中起重要作用，建模、分析軟件在車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面應(yīng)用越來(lái)越多。

（3）本文所提優(yōu)化方法沒(méi)有充分考慮安全性、操穩(wěn)性、NVH等因素，多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化方法是目前車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的熱點(diǎn)。

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