拓撲優化方法在輕卡車身結構改進中的應用

裘大志

摘 要 拓撲結構優化是一種數學研究方法，該方法在汽車結構優化設計中的應用十分廣泛。拓撲技術通過構造模型的方法，對輕型卡車不合理的外形進行改進，提高卡車的結構強度。本文具體研究了拓撲結構優化方法，對該方法在輕卡車身改進應用中的細節進行了分析。

關鍵詞 輕型卡車 拓撲優化 結構性能

2004年Pedreson將拓撲理念應用在了汽車安全系統中，完成了對汽車功能部件的結構優化。在2005年，A.I.Chande和R.J.Yan利用拓撲軟件對車門、車架、曲軸進行了優化改造，進一步擴大了拓撲技術的應用范圍。2011年以來，拓撲技術在汽車結構優化中的應用越來越廣泛，使輕型卡車車身的結構功能越來越合理。

一、拓撲優化技術的基本原理

拓撲原理主要是為了尋求區域中的最優解，使汽車結構能夠達到最合理狀態。常用的拓撲結構研究方法有厚度變化方法、密度變化法、均勻變化法三種。拓撲研究數據具有連續性，該方法最早應用于水利工程中的堤壩重力優化問題。

研究區域是由很多孔洞微單元組成，在結構優化過程中，微單元的孔洞大小會發生變化。如果某研究區域的微單元全部變成孔洞，那么整個研究區域就會出現一個大孔洞；如果研究區域的微單元全部消失，那么研究區域就會變成一個實體結構。初始材料在結構上實現了重新分配，形成了新的結構模式，該條件下的拓撲結構就是最優拓撲結構。

二、拓撲理論在輕型卡車車身優化中的應用

1、輕卡車身的拓撲優化有限元模型

首先應該建立輕卡車身的結構模型，要根據模型中的具體參數，進行拓撲結構優化。在建立拓撲優化有限模型的時候，應該多考慮輕卡車身的實際情況，留出車身、車窗和車門的空間。由于車身的材料都是鋼制的，在進行拓撲優化的時候，應該多分析車身不同區域的密度變化狀況。拓撲優化的有限元結構模型如圖1所示：

2、輕卡車身拓撲的優化實現

（1）車身在彎曲情況下的負載約束。為了反映出車身在負載情況下的實際受力情況，假設司機、乘員和座椅的總重量為300kg，然后再往座椅位置上增加1500N的重物。拓撲模型全都是以殼狀結構為主，由于沒有強筋支撐，如果重物負載的位置靠近駕駛室中央，就會導致結構模板塌陷，使拓撲計算難以進行。通常會將負載的位置放在座椅直線的四周、駕駛室的四角上，以減少重物對中心的負載壓力。以駕駛室的4個對角為研究對象，建立拓撲研究模型。

（2）車身在扭轉情況下的負載約束。在車身模型的前端選擇2個豎直向上的支撐點，用大小相等、方向相反的兩個力作用支撐點，觀察此時車身的受力扭轉情況，作用力的大小為1000N，如果觀察效果不明顯，還可以繼續增加作用力。以車身前端受力點為研究對象，建立拓撲研究模型，如圖2所示：

對這兩種狀況下的車身變化情況進行分析，會發現彎曲撓度為0.6mm，其中扭轉狀況下車身的最大變形為3mm，彎曲狀況和扭轉狀況的變形云圖。

本次拓撲優化是研究車身在彎曲、扭轉狀況下的變形情況，在車身剛度確定的情況下，通過使車身體積最小化，確定加強筋的合理位置。拓撲問題主要是研究彎曲、扭轉狀態下的車身位移。對車身的形變量進行計算后，就會探索出車身空間結構的內部密度分布狀況。

在每次拓撲優化的時候，應該先進行一次迭代，根據數據的收斂狀況繪出拓撲模型的形狀。拓撲的位移約束不能比初次計算相差太多，選取初始計算80%的位移，這時候得到的優化結果最好，收斂時間最短；將拓撲目標設置為最小化，對最小化的模型進行空間拓撲優化，就可以得到車身的密度的分布規律。

3、對輕卡車身結構的優化結果

運用Optsruct軟件對輕卡車身進行拓撲優化，從最終的拓撲優化結果可以看出，車身頂部逐漸形成“人”字形，底部模板變成了“X”字形。拓撲優化科學合理，在實際生產生活中應用十分廣泛。地板的拓撲線條朝著兩側和負載線聚集，拓撲形狀和車身結構強筋位置一致。

三、結束語

在對汽車結構進行優化之前，應該先為汽車建立拓撲模型，通過將拓撲理論、拓撲優化方法運用在汽車模型中，能夠簡化汽車的外形設計。拓撲優化理念早在20世紀60年代就被提了出來。在20世紀80年代，拓撲技術主要用于飛機外形設計領域。利用拓撲技術對輕卡車身的彎曲狀態、扭轉狀態進行形變位移研究，在最終拓撲優化結構中可以發現：彎曲狀態下的車身拓線條和結構強筋位置相同，而扭轉狀態下的拓撲形狀則呈現“人”字行、“X”字形。

參考文獻：

[1]李學修，黃虎.拓撲優化技術方法在輕卡車身結構改進中的應用[J].上海工程技術大學學報，2011（03）

[2]劉長虹.拓撲技術在車身結構優化中的應用[J].科技創新導報，2012（10）

（作者單位：沈陽金杯車輛制造有限公司）