结构优化设计在客车车身轻量化中的应用

摘要： 综述了结构优化设计方法在汽车车身轻量化中的应用历史和现状。 对常见的结构优化技术进行了介绍和总结。 以一款客车车身骨架结构优化设计为例， 探讨了结构优化设计的应用方法和实施过程。对优化设计中的关键问题进行了阐述， 最后展望了结构优化设计在未来车身轻量化中的应用趋势和前景。

1 引言

随着人们对汽车安全性、 舒适性和环保性能要求的提高， 越来越多的功能设备被安装到汽车上， 直接增加了汽车的质量与油耗， 提高了汽车尾气排放量。 从汽车产品的整个生命和周期看， 油耗费用是生命和周期总费用的主体， 占汽车生命周期费用的 71％ ， 对用户而言， 降低油耗费用以节约运行成本是迫切的要求。 据统计， 汽车每减轻其总质量的 10％ ， 油耗可降低 6％～8％。 客车车身质量占总质量的 25％～30％ ， 车身制造成本占整车制造成本的比重超过 50％ 。 因此， 客车车身轻量化对整车的轻量化有着重要意义。

车身轻量化的目的在于确保车身强度、 刚度和模态等结构特性要求的前提下， 减轻车身骨架的质量。 车身轻量化不仅可以减少钢材使用和燃油消耗，减少污染排放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，而且可以有效减少振动和噪声， 增加汽车和道路的使用寿命。

实现车身结构轻量化主要有两个途径： 一是选用强度更高、重量更轻的新材料，例如铝合金、高强度钢材等；二是设计更合理的车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等。 第一种途径在目前看来是车身轻量化的主流， 针对规模化生产的需要， 已有很多轻质材料应用于车身制造工业， 如高强度钢、 铝合金和碳纤维等。 第二种途径是利用有限元法和优化设计等方法对车身进行结构分析及优化设计， 以减小车身骨架和车身钢板的质量。 这两种途径又是相辅相成的， 必须采取材料替换和结构改进相结合的方法， 才可能在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下， 最大限度地减轻各零部件的质量。

2 国内外研究现状

自 1973 年石油危机以来， 世界各汽车厂在汽车上进行的轻量化研究进展较为明显。 目前主要采用的轻量化措施有以下几种。

（1）使用新材料实现车身轻量化

 A、使用密度小、 强度高的有色合金材料， 如镁铝合金。

 B、使用同密度、 同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢。

 C、 使用塑料聚合物、 陶瓷等非金属材料。

（2）结合有限元法与结构优化设计， 对零部件进行结构优化

目前， 结构断面优化的理论和方法已比较成熟， 形状优化有了很大发展， 人们已经把研究重点转向拓扑优化等更高层次的结构优化问题。

结构拓扑优化放方法目前有解析方法和数值方法。 解析方法不大适合工程应用， 工程应用中常采用数值方法。连续体结构拓扑优化设计具有 2 个不同的求解体系， 国内学者主要研究在于局部应力约束下的强度拓扑优化设计，而国外研究主要围绕全局体积约束下的刚度拓扑优化展开。

在汽车轻量化结构优化设计中已普遍采用拓扑优化方法.YANG等研究了基于有限元软件MSC.Nastran 的汽车车身、 底盘、 焊点位置等的拓扑优化问题。 Wang 等利用有限元法与拓扑优化方法对汽车车身的加强筋部分进行了优化， 通过优化设计， 在既定成本下汽车车身的整体刚度能够得到充分的提高。

Ferdricson 等对拓扑优化设计在汽车设计中的应用作了综述， 重点介绍了车身设计中的拓扑优化进展。 Eom 等对车身焊点配置进行了拓扑优化， 在确保车身整体刚度要求的情况下， 得到焊点最佳位置， 使得焊点数量最少。 石琴等在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论， 先对结构进行布局优化， 以获得较合理的初始结构方案， 再通过结构参数优化设计，得到满足其强大和刚度及设计工艺要求的最优结构。 杨树凯等用变密度法建立汽车支架结构拓扑优化数学模型， 利用有限元法进行了结构拓扑优化设计。 高云凯等把拓扑优化设计理论引入某电动改装车的承载式车身设计， 实现了多工况、 多状态变量条件下的拓扑优化设计，确定了车身的最佳结构方案。 陈茹雯等利用基于有限元法的拓扑优化设计车身大骨架的拓扑结构， 经优化后的各项特性参数指标均有不同程度提高。

可见， 拓扑优化正成为车身轻量化设计中结构优化的重要手段， 更广泛的应用还有待进一步研究。

3 结构优化技术在车身设计中的应用

结构优化设计方法已经被逐渐引入到汽车结构设计过程中。 但大多数的工作主要集中在结构尺寸优化方面。 结构优化设计的研究分为三个层次： 结构尺寸优化、 结构形状优化和结构拓扑优化。 结构尺寸优化是在结构布局已经确定的情况下进行的， 因此产生的效果是被限定在布局之内。连续体拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下， 根据已知边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式。因此在工程设计的初始阶段中非常有意义。它不涉及具体的结构尺寸设计， 但可以提出最佳形状设计方案。由于结构拓扑优化设计在设计的初始阶段即被引入， 所以与结构尺寸优化和形状优化相比可以获得更大的经济效益。

（ 1 ） 结构优化技术

优化问题的一般模式：

目标： min φ a （ p ）；

约束： φ a （ p ） ≤0 ；

设计空间： p 1 ≤p s ≤p u

其中， φ 是系统响应， 通常为车身结构总质量或总体积。 p 是设计变量。

拓扑优化是在一定空间区域 （骨架结构或连续体） 内寻求材料最合理分布的一种优化方法。 它的目标是根据一定的准则， 在满足各种约束条件下， 在结构上开孔、 打洞， 去除不必要的构件和材料 （即结构的构建布局和节点连接关系的变化）， 使结构在规定意义上达到最优， 表现为 “最大刚度” 设计。 由于拓扑优化设计自由度大， 所以通常用于设计初期和概念设计阶段。

形貌优化时一种形状最佳化的方法， 它可以用来设计薄壁结构的强化压痕， 用来减轻结构的重量， 同时又能满足强度、 频率等要求。

尺寸优化是指通过改变单元厚度、 截面参数、 弹性和质量属性， 从而改善结构的特性如降低设计重量、 减小应力、 提高频率等。 它是目前国内外广泛使用的一种结构优化设计方法。

（ 2 ） 结构优化技术在客车车身轻量化中的应用在产品开发设计过程中引入拓扑优化、 形貌优化、 形状优化和尺寸优化， 能够节约设计时间， 缩短产品开发周期， 节约成本。

如上所述， 结构优化技术由于其自身的优越性， 在汽车车身轻量化设计中应用广泛。 一个典型的大客车车身骨架结构， 如图 1 所示， 优化流程如下。

（1）整体需求 （载荷及设计空间条件）。

（2）设计空间及载荷确定。

经过拓扑优化和尺寸优化后的整车骨架结构满足刚度和模态性能的要求， 同时质量得到了显著的降低， 轻量化效果明显。

4 结语

汽车零部件结构优化设计在不影响零部件的强度和性能的基础上， 通过设计质量轻的产品达到降低汽车制造成本的目的。 结构优化通常分为尺寸优化、 形状优化、拓扑优化和结构类型优化。 其中尺寸优化和形状优化已经比较成熟， 但对结构优化所起的作用有限。 结构拓扑优化是一种根据约束、 载荷及优化目标而寻求材料最佳分配的优化方法， 主要应用在产品开发的初级阶段， 是一种概念性设计， 对最终产品的成本和性能有着决定性影响。

随着车身结构轻量化的要求越来越高， 结构优化技术尤其是拓扑优化技术必将得到更为广泛的应用和研究。