車輛工程CAE中拓撲優化技術的應用分析

張海波

【摘 ?要】針對于車輛工程當中不同部件結構的實際特點，本文介紹了結構拓撲優化設計的一般流程，主要報告了代表性較強的相關軟件發展與實際情況，其中就包括優化過程中各項有限元分析模型數據分析、分析計算等等類型。經過實證驗證，結構拓撲優化屬于一種有效的優化方式，能夠為機械結構以及零部件的輕量化設計提供重要的概念化設計參考，這對于今后的結構優化技術發展方向有著非常重要的作用和意義。

【關鍵詞】車輛;CAE;拓撲;結構優化

結構優化屬于一門較為復雜的優化理論，其結構優化模型或者優化層次可以分為三種形式。首先是尺寸優化問題、形狀優化問題及材料選擇、拓撲優化問題。而其中拓撲優化問題又被成為布局優化問題，重要性在于能夠在概念階段實現對拓撲結構的重新選擇，通常在開發新型產品的效率上能夠有最大的效率。

1.拓撲優化在車輛工程中的應用發展及現狀

拓撲結構優化在汽車行業當中的應用問題，國外對于這方面的研究比較早，從上個世紀九十年代就已經開始，比如說瑞典沃爾沃汽車公司就運用靈活鉸鏈聯接的框架結構模型對于有關框架拓撲優化中聯合懲罰與材料選擇問題進行了研究。在這一項目的研究過程中，引入了兩組設計變量，目的在于能夠找到滿足剛度要求前提下最具輕量化的設計方案。在這一過程中，提出了向典型框架拓撲優化的兩方面眼神，也就是結構鉸鏈懲罰以及材料查補策略[1][2]。

而國內對于這方面的研究則是二十年之內開展的，尤其是在近幾年發展的過程中，這項研究逐漸活躍。比如說本田汽車公司就將有限元分析與結構拓撲進行了結合，根據汽車車架結構受力特性以及整體材料性能要求，提出了優化數據血腥的目的，構建了應力約束下的車架拓撲優化準則，同時也對車架進行了仿真設計，得出了合理的結果。而同濟大學的高云凱等人則是將拓撲結構優化設計理論引入到了電動改裝車的承載優化方面，使用先進的有限元分析軟件，在電動改裝轎車車身結構拓撲優化分析當中實現了多任務況、多狀態變量條件下的拓撲優化設計，明確了下車身的最佳結構方案。

2.拓撲優化特點及流程

2.1拓撲優化特點

車輛產品研發流程一般來說分為四個步驟。首先需要進行概念設計，其次則是需要進行詳細的設計，再次則是需要進行產品定型階段，最后則是需要進行批量生產之后的結構改進設計。國內外學者針對于這方面已經進行了大量的研究以及探索，最終得出，影響了車身概念開發的關鍵因素包括兩方面。首先就是實現不同設計方案所需要分析模型的快速構造以及對尺寸的編輯修改，其次則是快速實現多個方案的性能比較和結構優化設計。在概念開發階段，就可以著手進行結構的拓撲優化工作，從而減少開發過程中的設計反復現象，縮短整體開發周期，讓產品競爭力得到增長。而想要達到這一要求，需要盡量使用有限的信息來建立簡化的模型，作為分析的關鍵基礎，主要的目的就是希望可以反映出產品的靜態狀態以及動態要求，主要的用途也是用作為設計方案的評估以及優選。隨著設計階段的逐漸深入話發展，計算機輔助設計模型以及細化程度在這一過程中不斷的增加與提升[3][4]。

2.2一般流程

拓撲結構優化一般來說實在一定空間領域當中尋找材料最合理分布的迭代過程，主要的目的就是在滿足體積約束條件方面的同時，還能夠將結構的柔性降到最低。使用專業的三維軟件進行建模之后，數據輸入的準則包括：如果有相關接口，那么需要選擇這一接口來作為模型輸入端。在讀入數據之前還需要將數據進行處理與轉化，隨后配合拓撲優化模塊，進行拓撲優化分析。但是由于很多軟件對于大型、復雜結構的拓撲結構設計存在一定的局限性，可以將對應的文件輸入自身帶有的拓撲優化模塊軟件。而在了解所分析的零部件功能或者要解決問題的性質基礎上，必須要明確幾方面的因素，分別是設計區域、目標與約束、分析類型與模型。經過實踐之后證明，拓撲優化大約97%的時間都消耗于有限元分析過程當中。明確了分析目的與內容之后，這些都需要導入對應的軟件當中，如果模型較為簡單，那么也可以使用簡單的CAE自帶建模工具進行處理。如果是比較大的模型，那么就需要提取典型參數，根據對應的尺寸和空間來進行分別建模，最后進行組裝。而對于這一過程中，對結構特性影響比較小的部分，則是可以進行簡化，比如說小的圓角結構、其他配件工藝等等。

3.當下存在的困難與挑戰

在當下發展的過程中，CAD建模與CAE軟件之間接口并不完善，數據轉化問題讓優化軟件對于三維模型的修改較為困難，同時在優化結果提取的過程中，依舊需要有經驗的工程師來花費時間完成工作。拓撲結構優化過程在針對與不同目標以及不同結構進行分析的過程中，需要在不同的階段來建立對應的模型，很多時候這樣難以保證模型的統一性[5]。

優化算法的選擇非常關鍵，需要針對于具體優化問題特點來建立對應的求解策略以及優化算法。除此之外，使用功能強大的有限元軟件比如說ANSYS等與專用拓撲優化模塊的合理配合，這也是解決大型復雜結構優化設計的關鍵途徑，需要得到關注與重視。

結束語：

經過接近二十年的發展，國內外經過研究之后都深入了對這方面的研究與分析，拓撲優化研究工作已經逐漸走出了實驗室階段，同時在汽車領域取得了較好的使用價值。但是這項技術當下美中不足的問題在于，當下的研究依舊集中在梁、板、殼等單一結構。在今后的研究過程中，未來需要將這一研究成果實現更進一步的推廣，從而實現各方面實際應用問題的解決。

參考文獻：

[1]李曉東，田成元，孫曉微. 拓撲優化技術在車輛工程CAE中的應用[J]. 時代汽車，2021，（02）：30-31.

[2]李鵬，杜藝博，彭嘉潮，劉根柱. 可移動變形組件法中組件數對拓撲結構優化的影響[J]. 制造技術與機床，2020，（08）：84-88.

[3]劉勺華，邵亭亭，路紀雷. 車輛吊耳支架結構優化分析研究[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（11）：100-105.

[4]陳遠帆，李舜酩，蘇玉青. 拓撲優化與尺寸優化相結合的割草車車架輕量化設計[J]. 重慶理工大學學報（自然科學，2017，31（01）：28-35.

[5]曹立波，宋慧斌，武和全，劉亞飛. 基于拓撲優化的汽車前縱梁耐撞性設計[J]. 中國機械工程，2016，27（06）：827-832.