结构优化设计在客车车身轻量化的运用

黄忠桥

武汉英康汇通电气有限公司 430040

1 前言

随着经济与社会的高速发展，人们对生活质量的要求越来越高。相应地，人们对于最常用的交通工具——汽车的要求也随之提高。为了满足人们的汽车需求，各种各样性能的设备被安装在汽车上，这无疑增加了汽车的车重，进而油耗和汽车的尾气排放也随之增加。有关数据显示，在汽车生命周期的总体费用中，油耗消费是其中费用最多的一项，占总体费用的七成左右，所以，降低油耗对个体用户节约成本或社会资源的可持续发展都非常有意义。客车车身质量占车总质量的三成左右，但车身的制造成本却占到总成本的一半。也就是说，车身轻量化对于客车来说更有意义。

车身轻量化的主要目的是减少车身骨架的质量，但是在减少车身质量的同时，还要确保车身强度、模态等特性能够达到相关标准。在此前提下，对车身进行轻量化，不仅可以降低材料投入和油料消耗，还可以提高车辆的整体性能。减少因车身质量而产生的无效震动和噪声，最终能增加汽车的使用周期，甚至可以延长道路的使用寿命。

当前，有两种方法可以实现车身轻量化，第一种方法是选择高性能的新型材料。从现在行业整体角度看，该方法占据车身轻量化的主流。为了满足当前大规模生产的需要，车身制造业都选择轻质材料，例如，质量轻的铝合金、强度高的钢材等等。第二种方法则是更为高效合理的方法——有限元法，此法通过优化客车车身的结构组成，提高车身结构的科学可行性，从而实现车身质量的轻量化。上述两种方法相辅相成，互相促进，想要在不影响汽车整体性能和质量的前提下，尽可能的降低各个零件的质量，就必须将改变材料和改进结构两者有机结合起来。

2 国内外研究现状

从1973年石油危机爆发开始，分布在全球各地的汽车企业在汽车轻量化研究方面都取得了显著的成果。当前汽车轻量化的手段主要有以下几种：

2.1 车身轻量化——选择新型材料

2.1.1 选择高强度、小密度的有色合金材料，典型代表：镁铝合金。

2.1.2 选择具有相同弹性模量和密度的、截面薄的、工艺性能良好的、强度高的钢材。

2.1.3 选择陶瓷、塑料高聚合物等非金属材料。

2.2 零件结构优化——将结构优化设计和有限元法有机结合起来

现阶段，优化结构截面的技术和理论体系已经很完善，形状优化也有了显著的发展，使得拓扑优化或更深层次的结构优化成为了本行业研究者研究的重点和热点领域。

目前，结构拓扑优化的手段主要有数值法和解析法两种。其中，工程应用一般不选择解析法，而是采用数值法。在连续体结构拓扑优化过程中存在着两种完全不一样的求解体系，我们国家的研究者多半研究的是在局部应力约束或控制下的强度拓扑优化设计，而国外的研究者则把研究重点放在全局体积约束下的刚度拓扑优化上。

拓扑优化法在汽车车身轻量化方面已得到较为广泛的应用。目前，国外学者在该方面的主要研究成果有以下四个方面：一是在以有限元软件M SC.Nastran为基础的汽车车身、焊接点、底盘等相关位置的拓扑优化；二是在优化汽车车身的加强筋部位时，充分利用有限元法和拓扑优化法，优化设计之后，可以在很大程度上提高汽车车身的整体强度，但是实现该目标的前提是不超出设定的成本；三是对拓扑优化技术进行深入研究和相关改进，并将拓扑优化技术的发展作为研究工作的重点；四是在保证车身整体刚度达到要求的同时，对车身的焊接点位置进行一系列的拓扑优化，从而找到最佳的焊接点位置，尽可能得降低焊接点的数目。国内的学者在该方面研究的成果则主要体现在以下四点：一是将拓扑优化的相关理论知识应用到结构设计的起始阶段，首先对结构进行布局上的优化，从而得到科学的初始结构，然后对结构参数进行进一步的优化设计，最终得到能够满足设计工艺、强度和刚度等方面要求的最佳结构方案；二是充分利用改变密度法来建立汽车支架结构模型，并用有限元法对其进行结构优化；三是在电动改装车身设计过程中充分运用拓扑优化设计的相关理论知识，从而实现了在多状态变量、多工况的情况下进行拓扑优化设计，最终确立车身设计的最佳结构手段；四是利用有限元法对车身大骨架进行合理优化，使其各项有关性能都有所增加。

由此可见，拓扑优化正逐渐成为车身轻量化设计过程中进行结构优化的主要方法，其更为广泛的应用还需要研究者进行更加深入地探索和研究。

3 结构优化设计在车身制造中的应用

结构优化技术越来越多的被运用到汽车车身的设计中，但是，到目前为止其重点应用区域还是结构尺寸优化。结构尺寸优化技术是较为浅显的一种优化方法，相对来说，较为深层一点的优化还有结构形状优化和结构拓扑优化。但是，由于受结构优化技术的限制，结构尺寸优化是目前运用最为广泛的一种方法。这种优化方法是在车身设计一顶，在布局不改变的前提下，对车身的尺寸进行优化，所以，其效果相对来说较为一般。而拓扑优化则是按照参数要求，对车身的结构、布局等进行优化，从而得到合理的车身结构模型。因此，在汽车设计的初级阶段，拓扑优化可以在不考虑具体结构尺寸的情况下，还能设计出汽车车身形状的最佳方案。在当前以结构尺寸优化和形状优化为主的现状下，结构拓扑优化技术的应用无疑是结构优化设计的一大进步，可以大大提高汽车产业的经济效益。

3.1 结构优化技术简介

优化技术的普遍模式：

目标：min φa（p）；

约束：φa（p）≤0；

设计空间：p1≤ps≤pu

在以上模式中，φ代表着车身的总质量（或总体积），p代表设计变量。

在一定的空间布局内，拓扑优化是寻求投入材料最优良的方法。它的具体优化方法一般为：在一定约束条件下，满足各种要求的同时，对材料结构进行处理，舍弃不需要的材料和组件，使结构在一定程度上达到最优状态，在设计意义上表现为“最大刚度”。由以上叙述可知，拓扑优化设计的自由空间相对来说还是比较大的，所以，拓扑优化设计常常被应用于车身的概念设计阶段。

相对于拓扑优化，形状优化则是更注重形状最佳化的一种设计方法。在优化的过程中，它可以同时满足质量、强度、频率等各方面的要求。

在三种不同层次的优化方法中，尺寸优化是最直观的一种优化方式。它一般是通过改变结构单元的厚度、弹性和质量等参数，来达到质量优化的目的。到目前为止，这种方法是应用最为广泛的一种方法。

3.2 结构优化设计在客车车身建成中的应用

在车身的研究开发阶段，结构优化技术（尺寸优化、形状优化、拓扑优化）的应用可以大大减少研发时间，降低产品的研发周期和成本投入。

接下来，本文以一辆典型大客车的车身骨架结构为例（图1），简要地介绍其结构优化流程。

图1 典型的大客车车身骨架结构

1）整体需求及空间和荷载量的规划

2）划分网格，建立有限元模型（图2）

图2 客车有限元模型

3）进行拓扑优化，建立优化后的C A D模型（图3）

图3 基于拓扑优化结果的CA D模型

4）重新生成细化的网格，并进行尺寸优化（图4）

图4 结构尺寸优化

5）得到最终的有限元模型（图5）

图5 最终的有限元模型

经过结构优化的客车的整个车身骨架可以满足车身的各种要求，如强度要求、刚度要求以及模态方面的要求等等，同时还大大降低了车身的质量，取得明显的轻量化效果。

4 结语

本文主要介绍了当前对车身进行轻量化的三种常用方法：结构尺寸优化、结构形状优化和结构拓扑优化，并说明了各种优化方法的使用条件，进而对其优缺点进行了比较。在我们所阐述的三种结构优化方法中，尺寸优化和形状优化相对来说比较成熟，应用也较为广泛，但是他们对结构优化的效果却远远不如结构拓扑优化。结构拓扑优化是一种概念性设计方法，是一种根据各种约束条件来设计材料分配最佳方案的一种优化方法，对产品的整体成本和最终性能状态都有决定性影响。

随着人们对车辆轻量化的要求越来越高，更为高效合理的结构优化技术必定会被开发出来，而结构优化技术也势必会被应用到车辆设计的各个环节，最终成为车辆研发过程中不可缺少的关键性技术。

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