結構優(yōu)化設計在客車(chē)車(chē)身輕量化中的應用
- 2018-10-10 13:22:00
- 陸啟蒙 原創(chuàng )
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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。
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