摘要： 綜述了結構優(yōu)化設計方法在汽車(chē)車(chē)身輕量化中的應用歷史和現狀。 對常見(jiàn)的結構優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了介紹和總結。 以一款客車(chē)車(chē)身骨架結構優(yōu)化設計為例， 探討了結構優(yōu)化設計的應用方法和實(shí)施過(guò)程。對優(yōu)化設計中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了闡述， 最后展望了結構優(yōu)化設計在未來(lái)車(chē)身輕量化中的應用趨勢和前景。

1 引言

隨著(zhù)人們對汽車(chē)安全性、 舒適性和環(huán)保性能要求的提高， 越來(lái)越多的功能設備被安裝到汽車(chē)上， 直接增加了汽車(chē)的質(zhì)量與油耗， 提高了汽車(chē)尾氣排放量。 從汽車(chē)產(chǎn)品的整個(gè)生命和周期看， 油耗費用是生命和周期總費用的主體， 占汽車(chē)生命周期費用的 71％ ， 對用戶(hù)而言， 降低油耗費用以節約運行成本是迫切的要求。 據統計， 汽車(chē)每減輕其總質(zhì)量的 10％ ， 油耗可降低 6％～8％。 客車(chē)車(chē)身質(zhì)量占總質(zhì)量的 25％～30％ ， 車(chē)身制造成本占整車(chē)制造成本的比重超過(guò) 50％ 。 因此， 客車(chē)車(chē)身輕量化對整車(chē)的輕量化有著(zhù)重要意義。

車(chē)身輕量化的目的在于確保車(chē)身強度、 剛度和模態(tài)等結構特性要求的前提下， 減輕車(chē)身骨架的質(zhì)量。 車(chē)身輕量化不僅可以減少鋼材使用和燃油消耗，減少污染排放，提高車(chē)速，改善汽車(chē)起動(dòng)和制動(dòng)性能，而且可以有效減少振動(dòng)和噪聲， 增加汽車(chē)和道路的使用壽命。

實(shí)現車(chē)身結構輕量化主要有兩個(gè)途徑： 一是選用強度更高、重量更輕的新材料，例如鋁合金、高強度鋼材等；二是設計更合理的車(chē)身結構，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對車(chē)身零部件進(jìn)行結構和工藝改進(jìn)等。 第一種途徑在目前看來(lái)是車(chē)身輕量化的主流， 針對規?；a(chǎn)的需要， 已有很多輕質(zhì)材料應用于車(chē)身制造工業(yè)， 如高強度鋼、 鋁合金和碳纖維等。 第二種途徑是利用有限元法和優(yōu)化設計等方法對車(chē)身進(jìn)行結構分析及優(yōu)化設計， 以減小車(chē)身骨架和車(chē)身鋼板的質(zhì)量。 這兩種途徑又是相輔相成的， 必須采取材料替換和結構改進(jìn)相結合的方法， 才可能在保證汽車(chē)整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下， 最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。

2 國內外研究現狀

自 1973 年石油危機以來(lái)， 世界各汽車(chē)廠(chǎng)在汽車(chē)上進(jìn)行的輕量化研究進(jìn)展較為明顯。 目前主要采用的輕量化措施有以下幾種。

（1）使用新材料實(shí)現車(chē)身輕量化

 A、使用密度小、 強度高的有色合金材料， 如鎂鋁合金。

 B、使用同密度、 同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼。

 C、 使用塑料聚合物、 陶瓷等非金屬材料。

（2）結合有限元法與結構優(yōu)化設計， 對零部件進(jìn)行結構優(yōu)化

目前， 結構斷面優(yōu)化的理論和方法已比較成熟， 形狀優(yōu)化有了很大發(fā)展， 人們已經(jīng)把研究重點(diǎn)轉向拓撲優(yōu)化等更高層次的結構優(yōu)化問(wèn)題。

結構拓撲優(yōu)化放方法目前有解析方法和數值方法。 解析方法不大適合工程應用， 工程應用中常采用數值方法。連續體結構拓撲優(yōu)化設計具有 2 個(gè)不同的求解體系， 國內學(xué)者主要研究在于局部應力約束下的強度拓撲優(yōu)化設計，而國外研究主要圍繞全局體積約束下的剛度拓撲優(yōu)化展開(kāi)。

在汽車(chē)輕量化結構優(yōu)化設計中已普遍采用拓撲優(yōu)化方法.YANG等研究了基于有限元軟件MSC.Nastran 的汽車(chē)車(chē)身、 底盤(pán)、 焊點(diǎn)位置等的拓撲優(yōu)化問(wèn)題。 Wang 等利用有限元法與拓撲優(yōu)化方法對汽車(chē)車(chē)身的加強筋部分進(jìn)行了優(yōu)化， 通過(guò)優(yōu)化設計， 在既定成本下汽車(chē)車(chē)身的整體剛度能夠得到充分的提高。

Ferdricson 等對拓撲優(yōu)化設計在汽車(chē)設計中的應用作了綜述， 重點(diǎn)介紹了車(chē)身設計中的拓撲優(yōu)化進(jìn)展。 Eom 等對車(chē)身焊點(diǎn)配置進(jìn)行了拓撲優(yōu)化， 在確保車(chē)身整體剛度要求的情況下， 得到焊點(diǎn)最佳位置， 使得焊點(diǎn)數量最少。 石琴等在結構設計的開(kāi)始階段引入拓撲優(yōu)化理論， 先對結構進(jìn)行布局優(yōu)化， 以獲得較合理的初始結構方案， 再通過(guò)結構參數優(yōu)化設計，得到滿(mǎn)足其強大和剛度及設計工藝要求的最優(yōu)結構。 楊樹(shù)凱等用變密度法建立汽車(chē)支架結構拓撲優(yōu)化數學(xué)模型， 利用有限元法進(jìn)行了結構拓撲優(yōu)化設計。 高云凱等把拓撲優(yōu)化設計理論引入某電動(dòng)改裝車(chē)的承載式車(chē)身設計， 實(shí)現了多工況、 多狀態(tài)變量條件下的拓撲優(yōu)化設計，確定了車(chē)身的最佳結構方案。 陳茹雯等利用基于有限元法的拓撲優(yōu)化設計車(chē)身大骨架的拓撲結構， 經(jīng)優(yōu)化后的各項特性參數指標均有不同程度提高。

可見(jiàn)， 拓撲優(yōu)化正成為車(chē)身輕量化設計中結構優(yōu)化的重要手段， 更廣泛的應用還有待進(jìn)一步研究。

3 結構優(yōu)化技術(shù)在車(chē)身設計中的應用

結構優(yōu)化設計方法已經(jīng)被逐漸引入到汽車(chē)結構設計過(guò)程中。 但大多數的工作主要集中在結構尺寸優(yōu)化方面。 結構優(yōu)化設計的研究分為三個(gè)層次： 結構尺寸優(yōu)化、 結構形狀優(yōu)化和結構拓撲優(yōu)化。 結構尺寸優(yōu)化是在結構布局已經(jīng)確定的情況下進(jìn)行的， 因此產(chǎn)生的效果是被限定在布局之內。連續體拓撲優(yōu)化的最大優(yōu)點(diǎn)是能在不知道結構拓撲形狀的前提下， 根據已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結構形式。因此在工程設計的初始階段中非常有意義。它不涉及具體的結構尺寸設計， 但可以提出最佳形狀設計方案。由于結構拓撲優(yōu)化設計在設計的初始階段即被引入， 所以與結構尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比可以獲得更大的經(jīng)濟效益。

（ 1 ） 結構優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化問(wèn)題的一般模式：

目標： min φ a （ p ）；

約束： φ a （ p ） ≤0 ；

設計空間： p 1 ≤p s ≤p u

其中， φ 是系統響應， 通常為車(chē)身結構總質(zhì)量或總體積。 p 是設計變量。

拓撲優(yōu)化是在一定空間區域 （骨架結構或連續體） 內尋求材料最合理分布的一種優(yōu)化方法。 它的目標是根據一定的準則， 在滿(mǎn)足各種約束條件下， 在結構上開(kāi)孔、 打洞， 去除不必要的構件和材料 （即結構的構建布局和節點(diǎn)連接關(guān)系的變化）， 使結構在規定意義上達到最優(yōu)， 表現為 “最大剛度” 設計。 由于拓撲優(yōu)化設計自由度大， 所以通常用于設計初期和概念設計階段。

形貌優(yōu)化時(shí)一種形狀最佳化的方法， 它可以用來(lái)設計薄壁結構的強化壓痕， 用來(lái)減輕結構的重量， 同時(shí)又能滿(mǎn)足強度、 頻率等要求。

尺寸優(yōu)化是指通過(guò)改變單元厚度、 截面參數、 彈性和質(zhì)量屬性， 從而改善結構的特性如降低設計重量、 減小應力、 提高頻率等。 它是目前國內外廣泛使用的一種結構優(yōu)化設計方法。

（ 2 ） 結構優(yōu)化技術(shù)在客車(chē)車(chē)身輕量化中的應用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計過(guò)程中引入拓撲優(yōu)化、 形貌優(yōu)化、 形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化， 能夠節約設計時(shí)間， 縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期， 節約成本。

如上所述， 結構優(yōu)化技術(shù)由于其自身的優(yōu)越性， 在汽車(chē)車(chē)身輕量化設計中應用廣泛。 一個(gè)典型的大客車(chē)車(chē)身骨架結構， 如圖 1 所示， 優(yōu)化流程如下。

（1）整體需求 （載荷及設計空間條件）。

（2）設計空間及載荷確定。

經(jīng)過(guò)拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化后的整車(chē)骨架結構滿(mǎn)足剛度和模態(tài)性能的要求， 同時(shí)質(zhì)量得到了顯著(zhù)的降低， 輕量化效果明顯。

4 結語(yǔ)

汽車(chē)零部件結構優(yōu)化設計在不影響零部件的強度和性能的基礎上， 通過(guò)設計質(zhì)量輕的產(chǎn)品達到降低汽車(chē)制造成本的目的。 結構優(yōu)化通常分為尺寸優(yōu)化、 形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和結構類(lèi)型優(yōu)化。 其中尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已經(jīng)比較成熟， 但對結構優(yōu)化所起的作用有限。 結構拓撲優(yōu)化是一種根據約束、 載荷及優(yōu)化目標而尋求材料最佳分配的優(yōu)化方法， 主要應用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初級階段， 是一種概念性設計， 對最終產(chǎn)品的成本和性能有著(zhù)決定性影響。

隨著(zhù)車(chē)身結構輕量化的要求越來(lái)越高， 結構優(yōu)化技術(shù)尤其是拓撲優(yōu)化技術(shù)必將得到更為廣泛的應用和研究。