車輛工程CAE中拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的應(yīng)用分析

張海波

【摘 ?要】針對(duì)于車輛工程當(dāng)中不同部件結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)，本文介紹了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的一般流程，主要報(bào)告了代表性較強(qiáng)的相關(guān)軟件發(fā)展與實(shí)際情況，其中就包括優(yōu)化過程中各項(xiàng)有限元分析模型數(shù)據(jù)分析、分析計(jì)算等等類型。經(jīng)過實(shí)證驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化屬于一種有效的優(yōu)化方式，能夠?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)以及零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供重要的概念化設(shè)計(jì)參考，這對(duì)于今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)發(fā)展方向有著非常重要的作用和意義。

【關(guān)鍵詞】車輛;CAE;拓?fù)?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化屬于一門較為復(fù)雜的優(yōu)化理論，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型或者優(yōu)化層次可以分為三種形式。首先是尺寸優(yōu)化問題、形狀優(yōu)化問題及材料選擇、拓?fù)鋬?yōu)化問題。而其中拓?fù)鋬?yōu)化問題又被成為布局優(yōu)化問題，重要性在于能夠在概念階段實(shí)現(xiàn)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重新選擇，通常在開發(fā)新型產(chǎn)品的效率上能夠有最大的效率。

1.拓?fù)鋬?yōu)化在車輛工程中的應(yīng)用發(fā)展及現(xiàn)狀

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化在汽車行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用問題，國(guó)外對(duì)于這方面的研究比較早，從上個(gè)世紀(jì)九十年代就已經(jīng)開始，比如說瑞典沃爾沃汽車公司就運(yùn)用靈活鉸鏈聯(lián)接的框架結(jié)構(gòu)模型對(duì)于有關(guān)框架拓?fù)鋬?yōu)化中聯(lián)合懲罰與材料選擇問題進(jìn)行了研究。在這一項(xiàng)目的研究過程中，引入了兩組設(shè)計(jì)變量，目的在于能夠找到滿足剛度要求前提下最具輕量化的設(shè)計(jì)方案。在這一過程中，提出了向典型框架拓?fù)鋬?yōu)化的兩方面眼神，也就是結(jié)構(gòu)鉸鏈懲罰以及材料查補(bǔ)策略[1][2]。

而國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究則是二十年之內(nèi)開展的，尤其是在近幾年發(fā)展的過程中，這項(xiàng)研究逐漸活躍。比如說本田汽車公司就將有限元分析與結(jié)構(gòu)拓?fù)溥M(jìn)行了結(jié)合，根據(jù)汽車車架結(jié)構(gòu)受力特性以及整體材料性能要求，提出了優(yōu)化數(shù)據(jù)血腥的目的，構(gòu)建了應(yīng)力約束下的車架拓?fù)鋬?yōu)化準(zhǔn)則，同時(shí)也對(duì)車架進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，得出了合理的結(jié)果。而同濟(jì)大學(xué)的高云凱等人則是將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論引入到了電動(dòng)改裝車的承載優(yōu)化方面，使用先進(jìn)的有限元分析軟件，在電動(dòng)改裝轎車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)況、多狀態(tài)變量條件下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，明確了下車身的最佳結(jié)構(gòu)方案。

2.拓?fù)鋬?yōu)化特點(diǎn)及流程

2.1拓?fù)鋬?yōu)化特點(diǎn)

車輛產(chǎn)品研發(fā)流程一般來說分為四個(gè)步驟。首先需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，其次則是需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，再次則是需要進(jìn)行產(chǎn)品定型階段，最后則是需要進(jìn)行批量生產(chǎn)之后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)于這方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究以及探索，最終得出，影響了車身概念開發(fā)的關(guān)鍵因素包括兩方面。首先就是實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案所需要分析模型的快速構(gòu)造以及對(duì)尺寸的編輯修改，其次則是快速實(shí)現(xiàn)多個(gè)方案的性能比較和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在概念開發(fā)階段，就可以著手進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化工作，從而減少開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)反復(fù)現(xiàn)象，縮短整體開發(fā)周期，讓產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力得到增長(zhǎng)。而想要達(dá)到這一要求，需要盡量使用有限的信息來建立簡(jiǎn)化的模型，作為分析的關(guān)鍵基礎(chǔ)，主要的目的就是希望可以反映出產(chǎn)品的靜態(tài)狀態(tài)以及動(dòng)態(tài)要求，主要的用途也是用作為設(shè)計(jì)方案的評(píng)估以及優(yōu)選。隨著設(shè)計(jì)階段的逐漸深入話發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型以及細(xì)化程度在這一過程中不斷的增加與提升[3][4]。

2.2一般流程

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化一般來說實(shí)在一定空間領(lǐng)域當(dāng)中尋找材料最合理分布的迭代過程，主要的目的就是在滿足體積約束條件方面的同時(shí)，還能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)的柔性降到最低。使用專業(yè)的三維軟件進(jìn)行建模之后，數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)則包括：如果有相關(guān)接口，那么需要選擇這一接口來作為模型輸入端。在讀入數(shù)據(jù)之前還需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)化，隨后配合拓?fù)鋬?yōu)化模塊，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析。但是由于很多軟件對(duì)于大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的局限性，可以將對(duì)應(yīng)的文件輸入自身帶有的拓?fù)鋬?yōu)化模塊軟件。而在了解所分析的零部件功能或者要解決問題的性質(zhì)基礎(chǔ)上，必須要明確幾方面的因素，分別是設(shè)計(jì)區(qū)域、目標(biāo)與約束、分析類型與模型。經(jīng)過實(shí)踐之后證明，拓?fù)鋬?yōu)化大約97%的時(shí)間都消耗于有限元分析過程當(dāng)中。明確了分析目的與內(nèi)容之后，這些都需要導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的軟件當(dāng)中，如果模型較為簡(jiǎn)單，那么也可以使用簡(jiǎn)單的CAE自帶建模工具進(jìn)行處理。如果是比較大的模型，那么就需要提取典型參數(shù)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的尺寸和空間來進(jìn)行分別建模，最后進(jìn)行組裝。而對(duì)于這一過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)特性影響比較小的部分，則是可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如說小的圓角結(jié)構(gòu)、其他配件工藝等等。

3.當(dāng)下存在的困難與挑戰(zhàn)

在當(dāng)下發(fā)展的過程中，CAD建模與CAE軟件之間接口并不完善，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化問題讓優(yōu)化軟件對(duì)于三維模型的修改較為困難，同時(shí)在優(yōu)化結(jié)果提取的過程中，依舊需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師來花費(fèi)時(shí)間完成工作。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化過程在針對(duì)與不同目標(biāo)以及不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的過程中，需要在不同的階段來建立對(duì)應(yīng)的模型，很多時(shí)候這樣難以保證模型的統(tǒng)一性[5]。

優(yōu)化算法的選擇非常關(guān)鍵，需要針對(duì)于具體優(yōu)化問題特點(diǎn)來建立對(duì)應(yīng)的求解策略以及優(yōu)化算法。除此之外，使用功能強(qiáng)大的有限元軟件比如說ANSYS等與專用拓?fù)鋬?yōu)化模塊的合理配合，這也是解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵途徑，需要得到關(guān)注與重視。

結(jié)束語(yǔ)：

經(jīng)過接近二十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外經(jīng)過研究之后都深入了對(duì)這方面的研究與分析，拓?fù)鋬?yōu)化研究工作已經(jīng)逐漸走出了實(shí)驗(yàn)室階段，同時(shí)在汽車領(lǐng)域取得了較好的使用價(jià)值。但是這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)下美中不足的問題在于，當(dāng)下的研究依舊集中在梁、板、殼等單一結(jié)構(gòu)。在今后的研究過程中，未來需要將這一研究成果實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的推廣，從而實(shí)現(xiàn)各方面實(shí)際應(yīng)用問題的解決。

參考文獻(xiàn)：

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