机械结构轻量化方法简析

陈添

（广东 广州 511300）

在现代汽车领域中，结构轻量化越来越重要，尤其是随着新能源汽车的兴起，体积较大的锂电池和较重的轮毂电机的重量占去大部分车身重量，如果在日后的生产中其他结构质量不减重，这无疑会生产出“超级汽车”。电池能量用在克服自身重量上比例相对增加，续航里程将会大大减少；而在航空航天领域中，蒙皮常常需要高的刚度来抵抗变形，通常飞行器蒙皮通常采用铝合金和复合材料来达到轻质化的目的，采取加厚的办法增加抵抗变形的能力，这大大加重了结构质量提高了发射成本。

拓扑优化是一种发展成熟，效果明显的优化方法，在许多领域中已经应用这种方法。在满足位移、变形、刚度等工程实际情况的约束条件下，根据目标函数通过打孔去掉结构上受力较小的多余材料，达到材料的合理布局减轻结构的重量，不仅可以应用在离散体结构，还可以应用到连续体的三维结构。

点阵结构是最近十几年来一种新兴的轻质结构，它的结构和蜂窝夹层结构相似，但是里面的胞元结构不同，点阵结构里面的胞元主要由杆状结构组成四面体或金字塔等结构。对于蒙皮及类似这种需要高强度、高刚度来满足高温高压环境的重要部件来说，稳定的受力结构尤为重要，而点阵夹心板结构，具有低质量，抵抗变形能力强的特点。

1 发展与应用

1.1 拓扑优化

拓扑优化理论概念最早起源于20世纪初国外的michell提出的精架理论，现在拓扑优化已经在汽车领域中主要应用在变速箱壳体、汽车下车身，保险杠等结构中。

同济大学的高云凯、北京理工大学朱剑锋等分别对轿车下车身和变速箱壳体进行拓扑优化，他们先是在Hypermesh软件中对下车身壳和变速箱壳体体建立有限元模型，高对车身按照5种不同工况加载载荷，以车身体积为做目标函数分别进行优化分析，形成初步骨架，再根据可加工性，对现有骨架进行改造，得到最优设计。朱运用变密度法拓扑优化对变速箱壳体结构进行优化，为了提高计算效率使用一阶四面体建立有限元模型对变速箱壳体进行分析，将各档位的承载载荷参数加载到模型中，得出优化成果，在前后壳体差速器输出端布置纵向加强筋对优化结果改善后得到最终模型。

优化后下车身的最优设计结构比原来的刚度提高了一倍，质量由原来的115kg降为112kg，相对减少2．69%。弯曲工况最大应力和扭转工况下最大应力分别相对降低49．7%和3．13%。拓扑优化后的变速箱壳体最终模型，总体质量下降11．7%，使变速箱壳体表面受力均匀，不存在受力集中点，并且生产使用的材料（铝合金）的屈服应力大于壳体所受表面最大等效应力和最大主应力，满足承轴座所需刚度和硬度。

运用拓扑优化对机械结构进行优化，优化后的结构材料去除了多余材料，使材料布局更加合理，有效防止机械因受力过于集中而发生形变，相对于原来的结构抵抗形变能力大大提高，且在满足所需刚度的同时，减轻了质量。在汽车领域，进行拓扑优化提高了车辆的可操控性、降低了生产成本。提高了汽车的燃油经济性，给底盘的合理布局提供了更大的空间，可以创造更宽阔的乘坐空间，因此品牌的竞争力可以得到提高。

1.2 点阵结构

点阵的最初是由美国的麻省理工学院、哈佛大学和英国剑桥大学在2000年初提出。这种结构相比于同等厚度的金属泡沫结构，点阵结构只是发生轴向的变形，不会出现弯曲变形，具有很强的吸能功能。点阵结构因为其特殊的胞元结构，内部有足够的空间满足散热、通电、通液或者增加其他功能的需要，同时刚度突出。主要应用制造非主承载类结构，代替厚重的金属壳体，使结构轻量化。

点阵结构分为二维点阵结构和三维点阵结构，二维点阵为网状和波纹状；金属三维点阵结构主要包含四面体、金字塔和3D-Kagome等。二维点阵结构的制备方法主要有：粉末注射成形、铝型材挤压、菱形芯体切割、波纹板滚压、冲压等。三位点阵结构的制备方法有鋳造法、焊接组装、增材制造三大类，如熔模铸造、压力铸造、冲孔网冲压、钢板网折叠、三维编织、线组装，电子书增材制造、激光增材制造。

二维点阵制造中，挤压法使用铝合金制造点阵机构，用这种方法来提高结构的整体性。组装焊接法中的切槽法制造的点阵能够快速散热，抵抗内压，可用于航空发动机燃烧室。波纹板滚压的方法在传统加工方法之上进行改善，提高了生产速率，改善了工作环境，但是对所加工材料有一定的限制。

随着增材制造发展的成熟，在三维点阵结构中增材制造可以制造出精密细小的点阵结构，但是成形效率较低，效率最高的方法是焊接组装法，但是其只适用于尺寸较大的点阵结构。

2 结语

在未来的发展中，单一结构已经不能满足各种复杂、多需求的工况，需要合理地材料分布来提高机械结构的性能。拓扑优化方法和点阵结构是发展较为成熟，理念先进的解决方法。

拓扑优化作为一种运用范围较广的优化方法，将突破人们传统设计方法中横平竖直的理念，优化后曲面和流线的结合，类似于骨骼结构，具有的完美受力结构，一样可以四两拨千斤。不仅仅止步于汽车或者航天领域，还可以将其应用于各种各样的受力结构，例如家具的设计，房屋墙体的结构，这样不仅可以降低成本，还能使其外观大大美化。

点阵结构不应仅仅单纯的应用于舱体结构抵抗变形，在未来发展中我们应该结合其中间为点阵胞元的特殊结构来生产复合功能板材。例如隔音板材、防火板材、减震板材应用于其他领域。毋庸置疑，以拓扑优化和点阵结构为代表的优化方法，设计方式将引领结构发展的步伐。