拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應(yīng)用

李曉東　田成元　孫曉微

摘 要：在社會(huì)高速發(fā)展的時(shí)代背景影響下，國(guó)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(guó)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(fù)雜，為了充分提升汽車的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應(yīng)用愈加重要，成為了新時(shí)代下推動(dòng)企業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù) 車輛工程 CAE 應(yīng)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(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，為了充分保證車輛機(jī)械工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提升車輛性能，常常需要對(duì)車輛的尺寸結(jié)構(gòu)、形狀結(jié)構(gòu)、材料選擇以及拓?fù)鋬?yōu)化等問(wèn)題進(jìn)行研究，而其中拓?fù)鋬?yōu)化就是重要的一環(huán)，尤其是在新時(shí)期汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中車輛工程CAE復(fù)雜性不斷提升的背景下，將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用在車輛工程CAE之中，更是提升車輛工程新品研發(fā)實(shí)效的必然途徑。

1 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)及車輛工程CAE

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是新時(shí)期應(yīng)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(fù)載信息基礎(chǔ)、相關(guān)約束條件以及最終的性能指標(biāo)要求下，在限定區(qū)域內(nèi)對(duì)車輛工程設(shè)計(jì)的使用材料進(jìn)行分布優(yōu)化的一種數(shù)學(xué)方法，與車輛工程設(shè)計(jì)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?fù)鋬?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(duì)象，以材料分布的均勻性在設(shè)計(jì)空間內(nèi)找尋最佳的材料分布方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛工程結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)的提升，使車輛工程設(shè)計(jì)具有更高的結(jié)構(gòu)自由度，是當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要的輔助技術(shù)體系，對(duì)于車輛工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義[1]。在當(dāng)前車輛工程產(chǎn)業(yè)的汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用時(shí)，其主要技術(shù)應(yīng)用方法包含了均勻化方法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、水平集方法等等，并且隨著近年來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障。

而在當(dāng)前汽車行業(yè)發(fā)展中，車輛工程的計(jì)算機(jī)輔助工程的重要性不斷上升，也就是常說(shuō)的車輛工程CAE（Computer Aided Engineering），其主要作用就是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助求解來(lái)對(duì)車輛工程的復(fù)雜機(jī)械工程結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析，還包括了結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的作用，以實(shí)現(xiàn)將車輛工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各個(gè)生產(chǎn)工程環(huán)節(jié)充分的結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化作業(yè)的信息集成，進(jìn)而實(shí)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(dāng)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(duì)車輛工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的動(dòng)靜態(tài)分析兩種模式，并且對(duì)車輛工程結(jié)構(gòu)研究的線性問(wèn)題以及非線性問(wèn)題都具有較高的軟件研究效果，是新時(shí)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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用的價(jià)值分析

隨著當(dāng)前當(dāng)前時(shí)期汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)車輛的要求也逐漸多元，不僅對(duì)車輛工程的結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)優(yōu)化重視程度不斷上升，對(duì)于車輛工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性要求也愈加嚴(yán)格。而將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于車輛工程CAE之中，就能夠在車輛工程的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析中通過(guò)對(duì)車輛材料布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，來(lái)提升車輛結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，這對(duì)于汽車工業(yè)發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義和技術(shù)應(yīng)用價(jià)值，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

首先，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應(yīng)用能夠提升新品研發(fā)效率。當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(shè)計(jì)創(chuàng)新已經(jīng)成為了提升汽車制造企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的核心所在。而在汽車新產(chǎn)品研發(fā)中，就離不開(kāi)對(duì)車輛工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，而車輛工程CAE作為車輛工程結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要輔助技術(shù)體系，將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用到其中，就能夠通過(guò)材料布局的優(yōu)化來(lái)為CAE結(jié)構(gòu)力學(xué)優(yōu)化提供幫助，進(jìn)而提升汽車產(chǎn)業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)效率。

其次，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應(yīng)用有助于車身結(jié)構(gòu)改造。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，業(yè)界人士對(duì)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(shè)計(jì)以及成為了當(dāng)前時(shí)期滿足車輛性能需求的基本前提。而當(dāng)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于車輛工程CAE之中時(shí)，就能夠通過(guò)其拓?fù)鋬?yōu)化功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度的變量，然后通過(guò)對(duì)零件模態(tài)的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛工程設(shè)計(jì)中車身結(jié)構(gòu)的改造，還能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛工程結(jié)構(gòu)剛度以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的全面分析。

3 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用的存在的問(wèn)題

雖然當(dāng)前車輛工程CAE設(shè)計(jì)優(yōu)化中對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用的重視程度在逐漸提升，但是由于當(dāng)前車輛工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也給拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應(yīng)用帶來(lái)了一些困境，主要就是目前階段車輛工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中CAD建模與CAE軟件之間存在接口不完善的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，這就會(huì)導(dǎo)致拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用時(shí)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(yán)重的不利影響[2]。并且在這一過(guò)程中，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)以及差異性的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和安全性等原因，需要在不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段開(kāi)發(fā)不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，因此就很難保證優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的統(tǒng)一性，這就給車輛工程CAE中拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的應(yīng)用埋下了不利于前提條件。與此同時(shí)，在拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于車輛工程CAE的過(guò)程中，優(yōu)化算法選擇的問(wèn)題也是其面臨的主要困境之一，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)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(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)時(shí)，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(yīng)用的科學(xué)性和整體質(zhì)量。

4 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中的應(yīng)用流程要點(diǎn)

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用時(shí)，其主要應(yīng)用流程要點(diǎn)包含以下方面：

第一，明確因素條件。在拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于車輛工程CAE之中時(shí)，首要的技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)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(shè)計(jì)區(qū)域因素、目標(biāo)約束限定、分析類型與模型。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的主要技術(shù)應(yīng)用都在有限元分析過(guò)程中，對(duì)車輛工程CAE結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)性的及重要基礎(chǔ)，更是對(duì)其技術(shù)限制因素明確的關(guān)鍵所在。因此，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用的首要流程要點(diǎn)就是對(duì)關(guān)鍵因素的明確及清晰，進(jìn)而在關(guān)鍵因素的限制內(nèi)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化算法的選擇，充分保證拓?fù)鋬?yōu)化科學(xué)性的同時(shí)，滿足其技術(shù)應(yīng)用中對(duì)車輛工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的荷載傳遞穩(wěn)定、計(jì)算速度保證、結(jié)構(gòu)布局修改以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由等方面的要求[3]。

第二，CAD模型修復(fù)及CAE網(wǎng)格劃分。在車輛工程CAE中應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)時(shí)，需要將車輛工程結(jié)構(gòu)的CAD模型導(dǎo)入到CAE軟件之中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛機(jī)構(gòu)模型的調(diào)整與優(yōu)化。而在CAD模型導(dǎo)入時(shí)，由于接口問(wèn)題，常會(huì)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(yīng)用中，重要的應(yīng)用流程要點(diǎn)之一就是對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)，以避免對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的有限元模型分析產(chǎn)生質(zhì)量、計(jì)算的精準(zhǔn)性和速度的影響。在模型修復(fù)完成以后，要根據(jù)CAE軟件的單元類型需求，對(duì)CAD車輛工程結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以保證拓?fù)鋬?yōu)化中結(jié)構(gòu)材料布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

第三，荷載施加及邊界條件界定。在拓?fù)鋬?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?fù)鋬?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(huì)直接影響到拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用的質(zhì)量，更決定了拓?fù)鋬?yōu)化中計(jì)算結(jié)果的精度。

第四，計(jì)算后處理及模型提取。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用時(shí)得出計(jì)算結(jié)果以后，還需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析，并根據(jù)實(shí)際情況確認(rèn)是否需要對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行調(diào)整，以充分保證其對(duì)車輛機(jī)械工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的科學(xué)性和整體質(zhì)量。在對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行處理后，最后的技術(shù)應(yīng)用流程就是將優(yōu)化后的車輛機(jī)構(gòu)模型提取出來(lái)，提取過(guò)程中，必須對(duì)其通用方法進(jìn)行進(jìn)一步的深化與開(kāi)發(fā)，以充分保證模型提取過(guò)程的完善性，避免CAD模型受損，給車輛工程結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化帶來(lái)不利影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用是新時(shí)期推動(dòng)汽車研發(fā)創(chuàng)新的必然途徑，更是推動(dòng)我國(guó)企業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車輛工程CAE中應(yīng)用時(shí)，必須對(duì)其應(yīng)用流程進(jìn)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(xiàng)目：2020年度甘肅省高校大學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力提升工程—高職機(jī)電類專業(yè)學(xué)生就業(yè)能力提升與拓展訓(xùn)練中心

參考文獻(xiàn)：

[1]朱劍峰，龍凱，陳瀟凱，et al. 多工況及動(dòng)態(tài)連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中的工程約束技術(shù)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（3）：35-39.

[2]梅帥，陳飆松，張盛，et al. 開(kāi)放式結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件設(shè)計(jì)與研發(fā)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)（9）：150-158.

[3]劉志強(qiáng)，王明強(qiáng).應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子（10）：28-30.