以輕量化為目標的汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法綜述

趙賢珠

摘 要：越來越多的汽車保有量引起排放和油耗問題。車身作為整車的重要組成部分，其輕量化有助于提高燃油經(jīng)濟性，減少排放。文章介紹了拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化三種優(yōu)化方式在汽車車身輕量化設(shè)計中的應用，并對車身輕量化的優(yōu)化設(shè)計進行了展望。

關(guān)鍵詞：輕量化；拓撲優(yōu)化；尺寸優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U462.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0087-02

引言

隨著社會的快速發(fā)展，汽車保有量越來越多。汽車在帶來方便快捷的同時，其油耗排放等問題也越來越引起大家的重視。汽車車身質(zhì)量約占汽車總重的40%，空載情況下油耗約占整車油耗的70%[1]。其輕量化的目標在于盡可能降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗和排放，并且提高操穩(wěn)性以及碰撞安全性。本文通過總結(jié)車身輕量化優(yōu)化方法，介紹不同的優(yōu)化步驟，并對車身輕量化優(yōu)化設(shè)計進行展望。

1 汽車車身輕量化研究背景

汽車自1886年誕生至今有一百多年的歷史，汽車車身的研究起步相對較晚，但是其作為汽車的重要組成部分，在整車結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。研究表明，汽車車身質(zhì)量每減輕1%，相應油耗降低0.7%[2]。

輕量化研究，是在滿足安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性的前提下，盡可能降低車身質(zhì)量，以實現(xiàn)減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合目標[3]。輕量化的實現(xiàn)不僅滿足了汽車的基本性能要求，且緩解了能源危機和環(huán)境污染的壓力，也沒有提高汽車設(shè)計制造成本，故汽車車身輕量化的研究引起了越來越多的關(guān)注。

2 輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

目前，以汽車車身輕量化為目標的優(yōu)化設(shè)計方法主要包括拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計通常由目標函數(shù)、設(shè)計變量、約束條件三個因素組成。拓撲優(yōu)化是在整體優(yōu)化之前，設(shè)計空間確定后對材料布置格局進行優(yōu)化，但是拓撲優(yōu)化是從宏觀出發(fā)，在某些細節(jié)方面可能并沒有達到最優(yōu)，因此在拓撲優(yōu)化之后需要進行尺寸和形狀優(yōu)化。

2.1 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是在給定的空間范圍內(nèi)，通過不停地迭代，重新規(guī)劃材料的分布和連接方式；是在工程師經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，明確目標區(qū)域和目標函數(shù)，確定變量以及約束條件，使車身結(jié)構(gòu)最終既滿足性能要求又減輕了質(zhì)量[4]。拓撲優(yōu)化通常將有限元分析和數(shù)學算法結(jié)合起來。

2.1.1 拓撲優(yōu)化的數(shù)學模型

拓撲優(yōu)化通常以車身質(zhì)量為目標函數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料厚度為變量，模態(tài)和剛度為約束條件。其數(shù)學模型為：

minf（X）=f（x1，x2…xn）；

s.t.g（X）>0；

ai

其中，x1，x2…xn為設(shè)計變量。

2.1.2 拓撲優(yōu)化的基本步驟和實例

在進行拓撲優(yōu)化之前首先需要確定設(shè)計區(qū)域，設(shè)計變量和約束條件。然后通常進行有限元模態(tài)分析和靈敏度分析，使靈敏度小的部分不參與優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上利用軟件進行計算，因為在每次的計算中都有參數(shù)的改變，所以需要經(jīng)過較多次的迭代，最終使其分布最優(yōu)。在軟件進行拓撲優(yōu)化的過程中，用戶對于每一次的迭代均可以實時監(jiān)控。

目前拓撲優(yōu)化中用到的數(shù)學優(yōu)化算法包括優(yōu)化準則法、移動漸近線法、數(shù)學規(guī)劃法、遺傳算法、進化算法等。使用較多的是優(yōu)化準則法和移動漸近線法，優(yōu)化準則法適于求解少約束問題，后者偏重于多約束問題[5][6]。

周定陸等[7]建立參數(shù)化模型，不僅將下車體質(zhì)量減少了23kg，而且模態(tài)和剛度在原有的性能上略有上升。王登峰等[8]基于拓撲優(yōu)化使大客車車身骨架質(zhì)量減少約11%，且剛度強度等性能滿足設(shè)計要求。

2.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料分布確定的前提下，對各桁架結(jié)構(gòu)尋找梁最合適的橫截面積、幾何尺寸，使得車身質(zhì)量最小且滿足剛度等要求的優(yōu)化方法。相對來說，尺寸優(yōu)化建立數(shù)學模型較容易，計算簡單，在實際工程中可以較快取得最優(yōu)

解[9]。也可以說，尺寸優(yōu)化是拓撲優(yōu)化的進一步完善和發(fā)展。

2.2.1 尺寸優(yōu)化的數(shù)學模型

尺寸優(yōu)化以車身質(zhì)量最小為目標，幾何尺寸為設(shè)計變量，剛度以及各變量尺寸限制作為約束條件。

2.2.2 尺寸優(yōu)化的基本步驟和實例

利用有限元分析劃分單元，再進行靈敏度分析，排除不參與優(yōu)化的單元。為了減少計算量，通常采用近似模型，然后對近似模型進行求解。劉開勇[10]利用超拉丁實驗設(shè)計方法，采集車身的剛度和模態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立一階響應面模型。潘鋒[11]通過建立組合近似模型，減少優(yōu)化過程的計算量，提高效率。

常用的近似模型有響應面模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)模型、kriging和支持向量回歸模型等[10][12]。通過對一階近似模型進行分析，計算不同的權(quán)系數(shù)并進行加權(quán)疊加構(gòu)成的組合模型在滿足模態(tài)和剛度要求的前提下，又兼顧了汽車碰撞安全性、NVH和疲勞等性能影響，且精度更高，因此組合近似模型在多目標多學科優(yōu)化方面更勝一籌。

張偉[13]等采用遺傳算法，結(jié)合拓撲優(yōu)化和車身尺寸優(yōu)化，不僅將質(zhì)量降低35%，而且使剛度提高了80%以上。康元春等[14]采用DOE及極差分析和方差分析，確定車身骨架梁截面最優(yōu)尺寸方案，使車身骨架質(zhì)量減輕了123.5kg。

2.3 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何形狀，通常包括桁架結(jié)構(gòu)梁節(jié)點位置的優(yōu)化；結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔的形狀、尺寸的優(yōu)化以及連續(xù)體邊界尺寸的優(yōu)化[15]。早期，與尺寸優(yōu)化相比，形狀優(yōu)化模型建立比較困難，建立的模型質(zhì)量通常比較差，影響后期模型的優(yōu)化求解，尺寸優(yōu)化的發(fā)展受到了限制。后來，網(wǎng)格變形技術(shù)的發(fā)展簡化了形狀優(yōu)化模型的建立[16]。形狀優(yōu)化的過程與尺寸優(yōu)化相似，通常也需要建立近似模型。

3 結(jié)束語

（1）拓撲優(yōu)化計算量大，應用受到一定限制。尺寸、形狀優(yōu)化在多數(shù)軟件中都有專門的模塊，應用較多。為了解決計算困難問題，優(yōu)化算法有待突破，算法的突破也是車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化進一步發(fā)展的重要前提。

（2）有限元分析方法在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化中起重要作用，建模、分析軟件在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面應用越來越多。

（3）本文所提優(yōu)化方法沒有充分考慮安全性、操穩(wěn)性、NVH等因素，多學科多目標優(yōu)化方法是目前車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的熱點。

參考文獻：

[1]黃磊.以輕量化為目標的汽車車身優(yōu)化設(shè)計[D].武漢理工大學，2013.

[2]遲漢之.世界汽車輕量化及輕質(zhì)材料應用趨勢[J].輕型汽車技術(shù)，2001（4）：54-56.

[3]韓寧，喬廣明.汽車車身材料的輕量化[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2010，38（1）：50-52.

[4]崔建磊，曹學濤.拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車設(shè)計中的應用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（6）：254.

[5]周克民，李俊峰，李霞.結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化研究方法綜述[J].力學進展，2005，35（1）：69-76.

[6]葛文杰，黃杰，楊方.拓撲優(yōu)化技術(shù)及其在汽車設(shè)計中的應用[J].機床與液壓，2007，35（8）：11-14.

[7]周定陸，高巖，蔡華國.基于車身結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的車身輕量化研究[C]//2010中國汽車工程學會年會論文集，2010.

[8]王登峰，毛愛華，牛妍妍，等.基于拓撲優(yōu)化的純電動大客車車身骨架輕量化多目標優(yōu)化設(shè)計[J].中國公路學報，2017，30（2）.

[9]王贏利.新能源汽車白車身結(jié)構(gòu)拓撲及尺寸優(yōu)化設(shè)計[D].大連理工大學，2012.

[10]劉開勇.基于響應面模型的白車身輕量化優(yōu)化方法[D].湖南大學，2016.

[11]潘鋒.組合近似模型方法研究及其在轎車車身輕量化設(shè)計的應用[D].上海交通大學，2011.

[12]韓鼎，鄭建榮.工程優(yōu)化設(shè)計中的近似模型技術(shù)[J].華東理工大學學報：自然科學版，2012，38（6）：762-768.

[13]張偉，侯文彬，胡平.基于拓撲優(yōu)化的電動汽車白車身優(yōu)化設(shè)計[J].湖南大學學報（自科版），2014（10）：42-48.

[14]康元春，李園，高永正.基于DOE方法的客車車身骨架尺寸優(yōu)化[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2014，33（4）：160-163.

[15]周成軍，沈嶸楓，周新年，等.電動汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化研究進展[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2012（11）：14-18.

[16]方劍光，高云凱，王婧人，等.基于網(wǎng)格變形技術(shù)的白車身多目標形狀優(yōu)化[J].機械工程學報，2012，48（24）：119-126.