機械結構輕量化方法簡析

陳添

（廣東 廣州 511300）

在現代汽車領域中，結構輕量化越來越重要，尤其是隨著新能源汽車的興起，體積較大的鋰電池和較重的輪轂電機的重量占去大部分車身重量，如果在日后的生產中其他結構質量不減重，這無疑會生產出“超級汽車”。電池能量用在克服自身重量上比例相對增加，續航里程將會大大減少；而在航空航天領域中，蒙皮常常需要高的剛度來抵抗變形，通常飛行器蒙皮通常采用鋁合金和復合材料來達到輕質化的目的，采取加厚的辦法增加抵抗變形的能力，這大大加重了結構質量提高了發射成本。

拓撲優化是一種發展成熟，效果明顯的優化方法，在許多領域中已經應用這種方法。在滿足位移、變形、剛度等工程實際情況的約束條件下，根據目標函數通過打孔去掉結構上受力較小的多余材料，達到材料的合理布局減輕結構的重量，不僅可以應用在離散體結構，還可以應用到連續體的三維結構。

點陣結構是最近十幾年來一種新興的輕質結構，它的結構和蜂窩夾層結構相似，但是里面的胞元結構不同，點陣結構里面的胞元主要由桿狀結構組成四面體或金字塔等結構。對于蒙皮及類似這種需要高強度、高剛度來滿足高溫高壓環境的重要部件來說，穩定的受力結構尤為重要，而點陣夾心板結構，具有低質量，抵抗變形能力強的特點。

1 發展與應用

1.1 拓撲優化

拓撲優化理論概念最早起源于20世紀初國外的michell提出的精架理論，現在拓撲優化已經在汽車領域中主要應用在變速箱殼體、汽車下車身，保險杠等結構中。

同濟大學的高云凱、北京理工大學朱劍鋒等分別對轎車下車身和變速箱殼體進行拓撲優化，他們先是在Hypermesh軟件中對下車身殼和變速箱殼體體建立有限元模型，高對車身按照5種不同工況加載載荷，以車身體積為做目標函數分別進行優化分析，形成初步骨架，再根據可加工性，對現有骨架進行改造，得到最優設計。朱運用變密度法拓撲優化對變速箱殼體結構進行優化，為了提高計算效率使用一階四面體建立有限元模型對變速箱殼體進行分析，將各檔位的承載載荷參數加載到模型中，得出優化成果，在前后殼體差速器輸出端布置縱向加強筋對優化結果改善后得到最終模型。

優化后下車身的最優設計結構比原來的剛度提高了一倍，質量由原來的115kg降為112kg，相對減少2．69%。彎曲工況最大應力和扭轉工況下最大應力分別相對降低49．7%和3．13%。拓撲優化后的變速箱殼體最終模型，總體質量下降11．7%，使變速箱殼體表面受力均勻，不存在受力集中點，并且生產使用的材料（鋁合金）的屈服應力大于殼體所受表面最大等效應力和最大主應力，滿足承軸座所需剛度和硬度。

運用拓撲優化對機械結構進行優化，優化后的結構材料去除了多余材料，使材料布局更加合理，有效防止機械因受力過于集中而發生形變，相對于原來的結構抵抗形變能力大大提高，且在滿足所需剛度的同時，減輕了質量。在汽車領域，進行拓撲優化提高了車輛的可操控性、降低了生產成本。提高了汽車的燃油經濟性，給底盤的合理布局提供了更大的空間，可以創造更寬闊的乘坐空間，因此品牌的競爭力可以得到提高。

1.2 點陣結構

點陣的最初是由美國的麻省理工學院、哈佛大學和英國劍橋大學在2000年初提出。這種結構相比于同等厚度的金屬泡沫結構，點陣結構只是發生軸向的變形，不會出現彎曲變形，具有很強的吸能功能。點陣結構因為其特殊的胞元結構，內部有足夠的空間滿足散熱、通電、通液或者增加其他功能的需要，同時剛度突出。主要應用制造非主承載類結構，代替厚重的金屬殼體，使結構輕量化。

點陣結構分為二維點陣結構和三維點陣結構，二維點陣為網狀和波紋狀；金屬三維點陣結構主要包含四面體、金字塔和3D-Kagome等。二維點陣結構的制備方法主要有：粉末注射成形、鋁型材擠壓、菱形芯體切割、波紋板滾壓、沖壓等。三位點陣結構的制備方法有鋳造法、焊接組裝、增材制造三大類，如熔模鑄造、壓力鑄造、沖孔網沖壓、鋼板網折疊、三維編織、線組裝，電子書增材制造、激光增材制造。

二維點陣制造中，擠壓法使用鋁合金制造點陣機構，用這種方法來提高結構的整體性。組裝焊接法中的切槽法制造的點陣能夠快速散熱，抵抗內壓，可用于航空發動機燃燒室。波紋板滾壓的方法在傳統加工方法之上進行改善，提高了生產速率，改善了工作環境，但是對所加工材料有一定的限制。

隨著增材制造發展的成熟，在三維點陣結構中增材制造可以制造出精密細小的點陣結構，但是成形效率較低，效率最高的方法是焊接組裝法，但是其只適用于尺寸較大的點陣結構。

2 結語

在未來的發展中，單一結構已經不能滿足各種復雜、多需求的工況，需要合理地材料分布來提高機械結構的性能。拓撲優化方法和點陣結構是發展較為成熟，理念先進的解決方法。

拓撲優化作為一種運用范圍較廣的優化方法，將突破人們傳統設計方法中橫平豎直的理念，優化后曲面和流線的結合，類似于骨骼結構，具有的完美受力結構，一樣可以四兩撥千斤。不僅僅止步于汽車或者航天領域，還可以將其應用于各種各樣的受力結構，例如家具的設計，房屋墻體的結構，這樣不僅可以降低成本，還能使其外觀大大美化。

點陣結構不應僅僅單純的應用于艙體結構抵抗變形，在未來發展中我們應該結合其中間為點陣胞元的特殊結構來生產復合功能板材。例如隔音板材、防火板材、減震板材應用于其他領域。毋庸置疑，以拓撲優化和點陣結構為代表的優化方法，設計方式將引領結構發展的步伐。