拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應用

李曉東　田成元　孫曉微

摘 要：在社會高速發(fā)展的時代背景影響下，國民生活的物質(zhì)水平不斷上升，汽車已經(jīng)成為了人們生活中必不可少的重要出行工具，國民汽車的普及率不斷上升，為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，車輛工程CAE愈加復雜，為了充分提升汽車的結(jié)構(gòu)力學性能，拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應用愈加重要，成為了新時代下推動企業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：拓撲優(yōu)化技術(shù) 車輛工程 CAE 應用

Application of Topology Optimization Technology in CAE of Vehicle Engineering

Li Xiaodong Tian Chengyuan Sun Xiaowei

Abstract：Under the influence of the rapid development of the society， the material level of peoples lives is constantly rising. Automobiles have become an indispensable and important travel tool in peoples lives. The increasing popularity of national cars has laid an important foundation for the development of the automobile industry. With the continuous development of the automotive industry， vehicle engineering CAE has become more and more complex. In order to fully improve the structural mechanics of automobiles， the application of topology optimization technology in vehicle engineering CAE has become more and more important， and it has become an important technical system to promote the development of enterprise industry in the new era.

Key words：topology optimization technology， vehicle engineering， CAE， application

在當前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，為了充分保證車輛機械工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計以提升車輛性能，常常需要對車輛的尺寸結(jié)構(gòu)、形狀結(jié)構(gòu)、材料選擇以及拓撲優(yōu)化等問題進行研究，而其中拓撲優(yōu)化就是重要的一環(huán)，尤其是在新時期汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中車輛工程CAE復雜性不斷提升的背景下，將拓撲優(yōu)化技術(shù)應用在車輛工程CAE之中，更是提升車輛工程新品研發(fā)實效的必然途徑。

1 拓撲優(yōu)化技術(shù)及車輛工程CAE

拓撲優(yōu)化技術(shù)是新時期應用于車輛工程的重要技術(shù)體系，也被稱之為布局優(yōu)化技術(shù)或者布置優(yōu)化，其主要意義就是在限定的負載信息基礎(chǔ)、相關(guān)約束條件以及最終的性能指標要求下，在限定區(qū)域內(nèi)對車輛工程設計的使用材料進行分布優(yōu)化的一種數(shù)學方法，與車輛工程設計中的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化共屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。拓撲優(yōu)化技術(shù)的核心是以材料分布作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要對象，以材料分布的均勻性在設計空間內(nèi)找尋最佳的材料分布方案，以實現(xiàn)對車輛工程結(jié)構(gòu)空間設計的提升，使車輛工程設計具有更高的結(jié)構(gòu)自由度，是當前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要的輔助技術(shù)體系，對于車輛工程結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化具有重要意義[1]。在當前車輛工程產(chǎn)業(yè)的汽車機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中進行拓撲優(yōu)化技術(shù)應用時，其主要技術(shù)應用方法包含了均勻化方法、變密度法、漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、水平集方法等等，并且隨著近年來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，拓撲優(yōu)化技術(shù)應用的方式也在逐漸創(chuàng)新，為車輛工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了技術(shù)保障。

而在當前汽車行業(yè)發(fā)展中，車輛工程的計算機輔助工程的重要性不斷上升，也就是常說的車輛工程CAE（Computer Aided Engineering），其主要作用就是通過計算機輔助求解來對車輛工程的復雜機械工程結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)力學性能進行分析，還包括了結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的作用，以實現(xiàn)將車輛工程結(jié)構(gòu)設計中的各個生產(chǎn)工程環(huán)節(jié)充分的結(jié)合到一起，實現(xiàn)對車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化作業(yè)的信息集成，進而實現(xiàn)車輛工程產(chǎn)生與產(chǎn)品生命周期的并存性發(fā)展。在當前車輛工程CAE發(fā)展中，CAE軟件的功能屬性愈加完善，包含了對車輛工程機械結(jié)構(gòu)力學性能的動靜態(tài)分析兩種模式，并且對車輛工程結(jié)構(gòu)研究的線性問題以及非線性問題都具有較高的軟件研究效果，是新時期汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中必不可少的重要輔助技術(shù)體系。

2 拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用的價值分析

隨著當前當前時期汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對車輛的要求也逐漸多元，不僅對車輛工程的結(jié)構(gòu)空間設計優(yōu)化重視程度不斷上升，對于車輛工程結(jié)構(gòu)設計的安全性要求也愈加嚴格。而將拓撲優(yōu)化技術(shù)應用于車輛工程CAE之中，就能夠在車輛工程的結(jié)構(gòu)力學性能分析中通過對車輛材料布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，來提升車輛結(jié)構(gòu)力學設計的科學性，這對于汽車工業(yè)發(fā)展具有重要的推動意義和技術(shù)應用價值，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

首先，拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應用能夠提升新品研發(fā)效率。當前汽車產(chǎn)業(yè)競爭日益激烈，并且正處于汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要階段，在這一階段，汽車新產(chǎn)品的研發(fā)設計創(chuàng)新已經(jīng)成為了提升汽車制造企業(yè)市場競爭力的核心所在。而在汽車新產(chǎn)品研發(fā)中，就離不開對車輛工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的創(chuàng)新，而車輛工程CAE作為車輛工程結(jié)構(gòu)力學設計優(yōu)化的重要輔助技術(shù)體系，將拓撲優(yōu)化技術(shù)應用到其中，就能夠通過材料布局的優(yōu)化來為CAE結(jié)構(gòu)力學優(yōu)化提供幫助，進而提升汽車產(chǎn)業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)效率。

其次，拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應用有助于車身結(jié)構(gòu)改造。在當前的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，業(yè)界人士對車輛工程的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化重視程度不斷上升，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計以及成為了當前時期滿足車輛性能需求的基本前提。而當拓撲優(yōu)化技術(shù)應用于車輛工程CAE之中時，就能夠通過其拓撲優(yōu)化功能，實現(xiàn)對車輛工程結(jié)構(gòu)設計厚度的變量，然后通過對零件模態(tài)的優(yōu)化，最終實現(xiàn)對車輛工程設計中車身結(jié)構(gòu)的改造，還能夠同時實現(xiàn)對車輛工程結(jié)構(gòu)剛度以及結(jié)構(gòu)強度的全面分析。

3 拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用的存在的問題

雖然當前車輛工程CAE設計優(yōu)化中對拓撲優(yōu)化技術(shù)應用的重視程度在逐漸提升，但是由于當前車輛工程機械結(jié)構(gòu)設計中存在的一些現(xiàn)實問題，也給拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應用帶來了一些困境，主要就是目前階段車輛工程結(jié)構(gòu)設計中CAD建模與CAE軟件之間存在接口不完善的現(xiàn)實問題，這就會導致拓撲優(yōu)化技術(shù)應用時出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中三維模型數(shù)據(jù)修正較為困難，給優(yōu)化提取工作造成嚴重的不利影響[2]。并且在這一過程中，針對不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計目標以及差異性的結(jié)構(gòu)疲勞強度和安全性等原因，需要在不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計階段開發(fā)不同的優(yōu)化設計模型，因此就很難保證優(yōu)化設計模型的統(tǒng)一性，這就給車輛工程CAE中拓撲優(yōu)化技術(shù)的應用埋下了不利于前提條件。與此同時，在拓撲優(yōu)化技術(shù)應用于車輛工程CAE的過程中，優(yōu)化算法選擇的問題也是其面臨的主要困境之一，具體優(yōu)化設計問題都存在其自身的有效求解策略和優(yōu)化算法，這就需要在車輛工程CAE中應用拓撲優(yōu)化技術(shù)時，高度重視優(yōu)化算法以相求解策略的選擇與研究，保證其應用的科學性和整體質(zhì)量。

4 拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應用流程要點

拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用時，其主要應用流程要點包含以下方面：

第一，明確因素條件。在拓撲優(yōu)化技術(shù)應用于車輛工程CAE之中時，首要的技術(shù)應用要點就是明確其關(guān)鍵因素，主要包含了車輛工程的結(jié)構(gòu)設計區(qū)域因素、目標約束限定、分析類型與模型。拓撲優(yōu)化技術(shù)的主要技術(shù)應用都在有限元分析過程中，對車輛工程CAE結(jié)構(gòu)設計中這些關(guān)鍵因素的明確是保證其結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法選擇科學性的及重要基礎(chǔ)，更是對其技術(shù)限制因素明確的關(guān)鍵所在。因此，拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用的首要流程要點就是對關(guān)鍵因素的明確及清晰，進而在關(guān)鍵因素的限制內(nèi)，進行拓撲優(yōu)化算法的選擇，充分保證拓撲優(yōu)化科學性的同時，滿足其技術(shù)應用中對車輛工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的荷載傳遞穩(wěn)定、計算速度保證、結(jié)構(gòu)布局修改以及結(jié)構(gòu)設計自由等方面的要求[3]。

第二，CAD模型修復及CAE網(wǎng)格劃分。在車輛工程CAE中應用拓撲優(yōu)化技術(shù)時，需要將車輛工程結(jié)構(gòu)的CAD模型導入到CAE軟件之中，以實現(xiàn)對車輛機構(gòu)模型的調(diào)整與優(yōu)化。而在CAD模型導入時，由于接口問題，常會出現(xiàn)模型數(shù)據(jù)損壞或丟失的情況，因此在技術(shù)模型應用中，重要的應用流程要點之一就是對模型進行修復，以避免對拓撲優(yōu)化技術(shù)的有限元模型分析產(chǎn)生質(zhì)量、計算的精準性和速度的影響。在模型修復完成以后，要根據(jù)CAE軟件的單元類型需求，對CAD車輛工程結(jié)構(gòu)模型進行網(wǎng)格劃分，以保證拓撲優(yōu)化中結(jié)構(gòu)材料布局優(yōu)化設計的科學性。

第三，荷載施加及邊界條件界定。在拓撲優(yōu)化技術(shù)的有限元模型優(yōu)化中，其核心部分就是荷載施加以及邊界條件的界定，有限元模型作為拓撲優(yōu)化技術(shù)有限元分析的關(guān)鍵，其荷載施加及邊界條件的界定會直接影響到拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用的質(zhì)量，更決定了拓撲優(yōu)化中計算結(jié)果的精度。

第四，計算后處理及模型提取。拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用時得出計算結(jié)果以后，還需要對計算結(jié)果進行詳細的分析，并根據(jù)實際情況確認是否需要對設計模型進行調(diào)整，以充分保證其對車輛機械工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的科學性和整體質(zhì)量。在對優(yōu)化后的模型進行處理后，最后的技術(shù)應用流程就是將優(yōu)化后的車輛機構(gòu)模型提取出來，提取過程中，必須對其通用方法進行進一步的深化與開發(fā)，以充分保證模型提取過程的完善性，避免CAD模型受損，給車輛工程結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化帶來不利影響。

5 結(jié)束語

拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用是新時期推動汽車研發(fā)創(chuàng)新的必然途徑，更是推動我國企業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措。拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應用時，必須對其應用流程進行綜合性的考察與思考，以保證車輛結(jié)構(gòu)材料布局優(yōu)化的整體質(zhì)量。

基金項目：2020年度甘肅省高校大學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力提升工程—高職機電類專業(yè)學生就業(yè)能力提升與拓展訓練中心

參考文獻：

[1]朱劍峰，龍凱，陳瀟凱，et al. 多工況及動態(tài)連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中的工程約束技術(shù)[J].北京理工大學學報（3）：35-39.

[2]梅帥，陳飆松，張盛，et al. 開放式結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化軟件設計與研發(fā)[J]. 機械工程學報（9）：150-158.

[3]劉志強，王明強.應用拓撲優(yōu)化理論進行結(jié)構(gòu)概念設計[J].機械與電子（10）：28-30.