車輛工程CAE中拓撲優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用分析

張海波

【摘 ?要】針對于車輛工程當中不同部件結(jié)構(gòu)的實際特點，本文介紹了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的一般流程，主要報告了代表性較強的相關(guān)軟件發(fā)展與實際情況，其中就包括優(yōu)化過程中各項有限元分析模型數(shù)據(jù)分析、分析計算等等類型。經(jīng)過實證驗證，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化屬于一種有效的優(yōu)化方式，能夠為機械結(jié)構(gòu)以及零部件的輕量化設(shè)計提供重要的概念化設(shè)計參考，這對于今后的結(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;拓撲;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化屬于一門較為復雜的優(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、拓撲優(yōu)化問題。而其中拓撲優(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現(xiàn)對拓撲結(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.拓撲優(yōu)化在車輛工程中的應(yīng)用發(fā)展及現(xiàn)狀

拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化在汽車行業(yè)當中的應(yīng)用問題，國外對于這方面的研究比較早，從上個世紀九十年代就已經(jīng)開始，比如說瑞典沃爾沃汽車公司就運用靈活鉸鏈聯(lián)接的框架結(jié)構(gòu)模型對于有關(guān)框架拓撲優(yōu)化中聯(lián)合懲罰與材料選擇問題進行了研究。在這一項目的研究過程中，引入了兩組設(shè)計變量，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)計方案。在這一過程中，提出了向典型框架拓撲優(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策略[1][2]。

而國內(nèi)對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)拓撲進行了結(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)力約束下的車架拓撲優(yōu)化準則，同時也對車架進行了仿真設(shè)計，得出了合理的結(jié)果。而同濟大學的高云凱等人則是將拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論引入到了電動改裝車的承載優(yōu)化方面，使用先進的有限元分析軟件，在電動改裝轎車車身結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化分析當中實現(xiàn)了多任務(wù)況、多狀態(tài)變量條件下的拓撲優(yōu)化設(shè)計，明確了下車身的最佳結(jié)構(gòu)方案。

2.拓撲優(yōu)化特點及流程

2.1拓撲優(yōu)化特點

車輛產(chǎn)品研發(fā)流程一般來說分為四個步驟。首先需要進行概念設(shè)計，其次則是需要進行詳細的設(shè)計，再次則是需要進行產(chǎn)品定型階段，最后則是需要進行批量生產(chǎn)之后的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計。國內(nèi)外學者針對于這方面已經(jīng)進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。首先就是實現(xiàn)不同設(shè)計方案所需要分析模型的快速構(gòu)造以及對尺寸的編輯修改，其次則是快速實現(xiàn)多個方案的性能比較和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在概念開發(fā)階段，就可以著手進行結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化工作，從而減少開發(fā)過程中的設(shè)計反復現(xiàn)象，縮短整體開發(fā)周期，讓產(chǎn)品競爭力得到增長。而想要達到這一要求，需要盡量使用有限的信息來建立簡化的模型，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)以及動態(tài)要求，主要的用途也是用作為設(shè)計方案的評估以及優(yōu)選。隨著設(shè)計階段的逐漸深入話發(fā)展，計算機輔助設(shè)計模型以及細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

拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般來說實在一定空間領(lǐng)域當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，還能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)的柔性降到最低。使用專業(yè)的三維軟件進行建模之后，數(shù)據(jù)輸入的準則包括：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)進行處理與轉(zhuǎn)化，隨后配合拓撲優(yōu)化模塊，進行拓撲優(yōu)化分析。但是由于很多軟件對于大型、復雜結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定的局限性，可以將對應(yīng)的文件輸入自身帶有的拓撲優(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)計區(qū)域、目標與約束、分析類型與模型。經(jīng)過實踐之后證明，拓撲優(yōu)化大約97%的時間都消耗于有限元分析過程當中。明確了分析目的與內(nèi)容之后，這些都需要導入對應(yīng)的軟件當中，如果模型較為簡單，那么也可以使用簡單的CAE自帶建模工具進行處理。如果是比較大的模型，那么就需要提取典型參數(shù)，根據(jù)對應(yīng)的尺寸和空間來進行分別建模，最后進行組裝。而對于這一過程中，對結(jié)構(gòu)特性影響比較小的部分，則是可以進行簡化，比如說小的圓角結(jié)構(gòu)、其他配件工藝等等。

3.當下存在的困難與挑戰(zhàn)

在當下發(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)化軟件對于三維模型的修改較為困難，同時在優(yōu)化結(jié)果提取的過程中，依舊需要有經(jīng)驗的工程師來花費時間完成工作。拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程在針對與不同目標以及不同結(jié)構(gòu)進行分析的過程中，需要在不同的階段來建立對應(yīng)的模型，很多時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，需要針對于具體優(yōu)化問題特點來建立對應(yīng)的求解策略以及優(yōu)化算法。除此之外，使用功能強大的有限元軟件比如說ANSYS等與專用拓撲優(yōu)化模塊的合理配合，這也是解決大型復雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵途徑，需要得到關(guān)注與重視。

結(jié)束語：

經(jīng)過接近二十年的發(fā)展，國內(nèi)外經(jīng)過研究之后都深入了對這方面的研究與分析，拓撲優(yōu)化研究工作已經(jīng)逐漸走出了實驗室階段，同時在汽車領(lǐng)域取得了較好的使用價值。但是這項技術(shù)當下美中不足的問題在于，當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現(xiàn)更進一步的推廣，從而實現(xiàn)各方面實際應(yīng)用問題的解決。

參考文獻：

[1]李曉東，田成元，孫曉微. 拓撲優(yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應(yīng)用[J]. 時代汽車，2021，（02）：30-31.

[2]李鵬，杜藝博，彭嘉潮，劉根柱. 可移動變形組件法中組件數(shù)對拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響[J]. 制造技術(shù)與機床，2020，（08）：84-88.

[3]劉勺華，邵亭亭，路紀雷. 車輛吊耳支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（11）：100-105.

[4]陳遠帆，李舜酩，蘇玉青. 拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化相結(jié)合的割草車車架輕量化設(shè)計[J]. 重慶理工大學學報（自然科學，2017，31（01）：28-35.

[5]曹立波，宋慧斌，武和全，劉亞飛. 基于拓撲優(yōu)化的汽車前縱梁耐撞性設(shè)計[J]. 中國機械工程，2016，27（06）：827-832.