某中卡駕駛室前懸置的拓撲優化設計

陳小華

摘 要：本文旨在通過某中卡駕駛室前懸置的結構優化設計過程，闡述如何在給定空間，根據車輛結構的使用要求尋找出其材料的最佳布局方式，從而使車輛結構最大限度地實現輕量化。 傳統結構優化設計過程大致為假設-分析-校核-重新設計，有時這個過程需要重復多次，很難找出最佳設計方案，用材裕度一般較大。本文前懸置的結構優化設計中，直接優化出其結構材料的最佳布局從而實現前懸置的輕量化。其優化設計方法過程如下：確定前懸置相關的極限強度工況（七種）和安全法規要求的前拍工況，運用多體軟件建立中卡整車模型，分析提取極限強度工況載荷；建立駕駛室前拍工況模型，計算提取前拍工況載荷；建立前懸置的優化模型，施加前面提取的工況載荷，以優化設計區域密度作為優化設計變量，把各工況下的計算應力和體積作為響應，把材料屈服強度作為約束邊界，以體積最小作為優化目標進行優化分析，從而得出前懸置結構材料的最佳布局方式。根據優化結果，設計人員設計出的樣件一次性通過了實際強度試驗驗證和碰撞安全前拍工況的摸底試驗，這一優化方法大大地縮短了前懸置結構的開發周期和試驗時間，也節省了開發試驗費用。也說明CAE技術在產品概念開發和產品設計階段具有重要的指導參考作用。

關鍵詞：前懸置 輕量化 多工況 拓撲優化

Topology Optimization Design of Front Mounting of a Medium Truck Cab

Chen Xiaohua

Abstract：This paper aims to explain how to find the best layout of the material according to the use requirements of the vehicle structure in a given space through the structural optimization design process of the front suspension of a medium-truck cab， so as to maximize the lightweight of the vehicle structure. The traditional structural optimization design process is roughly divided into? hypothesis， analysis， check， redesign. Sometimes this process needs to be repeated many times， and it is difficult to find the best design scheme， and the material margin is generally large. In the structural optimization design of the front suspension in this paper， the optimal layout of its structural materials is directly optimized to achieve the lightweight of the front suspension. The optimization design method process is as follows： to determine the ultimate strength working conditions related to the front suspension （seven types） and the front shooting conditions required by safety regulations， use multi-body software to establish the vehicle model of medium truck， and analyze and extract the load of the ultimate strength condition， and the model of the pre-cab shooting condition， and calculate the load of the extraction pre-shooting condition. The optimization model of the front suspension is established， the load of the working conditions extracted in front is applied， the density of the optimization design area is used as the optimization design variable， the calculated stress and volume under each working condition are taken as the response， the yield strength of the material is used as the constraint boundary， and the minimum volume is used as the optimization goal for optimization analysis， so as to obtain the optimal layout method of the pre-suspension structural material. According to the optimization results， the sample designed by the designer passed the actual strength test verification and the bottom test of the collision safety pre-shooting condition at one time， which greatly shortened the development cycle and test time of the front suspension structure， and also saved the development test cost. It also shows that CAE technology has an important guiding reference role in product concept development and product design stage.

Key words：front overhang， lightweight， multi-condition， topology optimization

1 緒論

汽車輕量化不僅會減少結構用材，而且會使整車動力性提高，制動安全距離縮短，燃油消耗率降低，同時降低尾氣排放量，據統計車輛每減重10%，每百公里可節省燃油6%-8%，尾氣排放量也相應減少7%左右[1]。

國務院發布了《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》，要求到2020年，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0升/百公里，節能型乘用車燃料消耗量降至4.5升/百公里以下；商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平[2]。為了應對更為嚴格的法規要求和響應國家節能環保需要，我們福田在汽車輕量化工作上進行攻難刻堅，開展了大量工作，如其中某中卡駕駛室前懸置的拓撲優化設計。

最初的汽車結構設計過程是設計-試制-測試，有時這一過程需要反復多次；當計算機輔助設計CAE技術得到廣泛運用時，經過CAE虛擬驗證分析，當分析結果不滿足使用要求時，直接更改設計，直到CAE虛擬驗證分析通過，才進行試制和測試，這一方式可以在很大程度上縮短產品開發周期，減少試制試驗的次數和費用，但這一結構設計方法一般很難找出最佳結構設計方案。如果想進一步縮短產品開發周期，直接找出最佳結構設計方案，就需要用采用基于結構優化技術的結構設計方法，其過程大致可歸納為設計-CAE結構優化-試制-測試幾個階段。

下文所述某中卡駕駛室前懸置優化設計所采用的拓撲優化技術就屬于結構優化的常用手段。下文將從以下幾個方面對前懸置的拓撲優化設計進行論述：

（1）使用工況和邊界載荷確定；（2）前懸置的拓撲優化設計；（3）實際試驗驗證；（4）結論。

2 邊界載荷確定

2.1 確定使用工況

因中駕駛室前懸置（結構位置如下圖1所示），是重要的承載安全件。在對其結構進行設計時，就需要充分考慮沖擊、轉彎、緊急制動、扭轉等各種極限強度工況，因GB26512商用車安全法規要求，前懸置結構還需要考慮前拍、頂壓工況。

2.2 整車多體模型的建立和強度工況載荷提取

整車多體模型的建立：運用多體動力學軟件ADAMS CAR建立前、后懸架系統；柔性體車身、車架等關鍵子系統。

前后懸架：根據相應的懸架類型，選擇相應的模板，建立前后懸架結構。

卡車類板簧懸架結構，需要先建立板簧，然后導入懸架模板；根據懸架的實際結構，修改模板硬點、襯套剛度、緩沖塊剛度、緩沖塊間隙、減振器極限長度及懸架零部件的質量，修訂輪胎剛度及質量、軸距、質心高度、制動力分配等參數。然后進行校驗，運行懸架平行輪跳，保證空載點和滿載點的軸荷數據準確。

柔性體車身：白車身的柔性體模型應根據實際結構建立，附加車門、座椅、前風擋、內飾、儀表板等的附加質量，保證車身質心位置準確；如有車身的轉動慣量參數，應調節模型的附加質量，使柔性體的轉動慣量和提供的轉動慣量參數盡量一致。

柔性體車架：車架柔性體建立時，應保證車架各連接點的位置準確，對于小質量點的附加質量，可以直接附加在車架柔性體上，而對于較大的附加質量，則應在多體模型中建立和固連，固連時應選擇合適的有限元單元類型。輸出柔性體后時，應對車架柔性體的前幾階模態值進行校驗，保證輸出的車架柔性體準確。

整車多體模型建立過程如下圖2所示：

強度工況載荷提取：由圖1可知，前懸置由鉸接點處分為上下兩部分，即前上懸置和前下懸置，且其結構呈左右對稱狀態，因而前懸置的優化需要考慮對稱工況。極限強度工況分析時需要提取的強度工況有：（1）垂向沖擊工況；（2）左轉彎工況；（3）右轉彎工況；（4）左前右后扭轉工況；（5）右前左后扭轉工況；（6）緊急制動工況；（7）急加速工況；

運用ADAMS CAR里的準靜態分析工況和Testrig分析工況分別對左轉彎工況、右轉彎工況、緊急制動工況、急加速工況和垂向沖擊工況、左前右后扭轉工況、右前左后扭轉工況一一進行分析求解，然后對各工況下懸置所受到的極限載荷進行提取，提取結果如表1、表2所示：

2.3 碰撞安全前拍模型的建立和載荷提取

請碰撞安全室相關人員協助提取駕駛室在被動安全前拍工況下前懸置所受到的極限載荷，圖3為運用LS-dyna工具軟件建立好的前拍模型。

根據國家法規GB26512要求，在對駕駛施加44.1KJ的初始碰撞能量拍擊駕駛室前段時，司乘人員需要具有一定的生存空間，即前懸置有足夠的強度，前拍工況中前懸置的應變不超過2%時，前懸置結構強度滿足前拍工況要求。

模擬擺錘拍擊駕駛室工況的方法，在擺錘繞上軸線向下旋轉到和駕駛室前段剛好接觸狀態時，給擺錘施加一個初速度，此速度使擺錘的動能剛好為44.1KJ，然后進行高度非線性碰撞計算，模擬前拍工況前懸置和駕駛室的變形。

初速度計算公式：

擺錘對駕駛室前拍工況的分析計算結果如下圖4所示，分析前懸置的最大應變量，當最大應變不超過2%時，提取前上懸置、前下懸置連接點的極限載荷。

前懸置在駕駛室前拍工況的載荷提取結果如表3所示：

下懸置連接點在前拍工況下極限載荷和表3類似，這里省略。

3 前懸置的拓撲優化設計

3.1 前懸置有限元優化模型的建立

根據上下懸置安裝連接位置，上下懸置的鉸接點，在其布局空間生成初步的包絡體，然后把安裝連接位置和懸置的鉸接點區域從其他區域分割開，作為非優化設計區域，其他區域全作為優化設計區域，然后生成上、下懸置結構有限元網格模型，對安裝連接點施加邊界約束、把前面提取的強度極限工況和駕駛室前拍工況載荷，施加于懸置的鉸接點，建立起前上、下懸置的有限元優化模型如下圖5、圖6所示：

3.2 結構的拓撲優化

目前拓撲優化所采用的主要算法有：均質化方法、相對密度法和進化結構優化法三種，因均質化方法在平面問題應用的較為廣泛，進化結構優化法可以對結構貢獻大的區域增加材料，而前上、下懸置可利用空間受限，所以采用相對密度法對前懸置結構進行優化。

相對密度法是一種常用的拓撲優化方法，其基本思想是不引入微結構，而是引入一種假想的相對密度在0～1之間可變的材料。它吸取了均質化方法中的經驗和成果，直接假定設計材料的宏觀彈性常量與其密度的非線性關系。其中應用的比較多的模型是SIMP （solid isot ropic microst ructure with penalization） 法，其基于最小柔度的優化模型如下[4]：優化時以單元的相對密度xe為拓撲設計變量，這樣結構拓撲優化問題被轉換為材料的最優分布問題。

把上、下懸置材料ZG270_550密度設置為優化變量，把各工況下的計算應力和體積作為響應，材料的屈服強度作為邊界約束條件，把體積最小作為優化目標進行優化計算，駕駛室前上、下懸置的拓撲優化結果密度等值云圖如下圖7、圖8所示：

3.3 由優化結果設計前懸置結構

把優化結果生成OSSMooth模型，由設計人員根據OSSMooth模型輪廓，并結合結構加工工藝，重新設計出前懸置結構如圖9、圖10所示：優化前上、下懸置重量分別為21.8Kg和9.5Kg優化后降重至15.8Kg和6.8Kg，降重量分別達到27.5%和28.4%。優化后強度和剛度略有下降，但虛擬分析結果滿足極限工況和被動安全的前拍工況使用要求。

3.4 優化設計結構虛擬驗證分析

因極限強度工況載荷比碰撞安全前拍工況載荷小很多，因而只對前拍工況進行虛擬驗證分析，把圖3所示駕駛室前拍模型中的前懸置替換為拓撲優化設計結構，再進行前拍工況模擬分析，其應變分析結果如下圖11所示，可見其強度滿足使用要求。

4 試驗驗證

對經過拓撲優化設計的前懸置結構，制作了試驗樣件并通過了定遠汽車試驗場的可靠性壞路強化試驗，隨后在天津一次性通過了駕駛室前拍工況的摸底試驗。本次通過對拓撲優化技術的運用，大大地縮短了前懸置結構的開發周期和試驗時間。

5 結論

通過某中卡駕駛室前懸置的結構優化設計過程，論述了如何在給定空間，根據車輛結構的使用要求尋找出其材料的最佳布局方式，從而使車輛結構最大限度地實現輕量化。

汽車輕量化不僅會減少結構用材，而且會使燃油消耗率降低，同時降低尾氣排放量，據統計車輛每減重10%，每百公里可節省燃油6%-8%，尾氣排放量也相應減少7%左右[1]。國務院發布了《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》，提出了非常嚴格的降油耗要求，而傳統結構優化設計通常以校核為目的，很難找出最佳設計方案，用材裕度較大。而此次前懸置的結構優化設計，避免了傳統結構優化設計的弊端，采用了當前一系列的新技術手段，如多體載荷分解，多工況多約束邊界組合，采用拓撲優化的方式，直接優化出駕駛室前懸置結構材料的最佳布局而實現了前懸置的輕量化設計。

根據優化結果，設計人員設計出的樣件一次性通過了實際強度試驗驗證和碰撞安全前拍工況的摸底試驗，這一優化方法大大地縮短了前懸置結構的開發周期和試驗時間，也節省了開發試驗費用。說明CAE中的拓撲優化技術可以作為產品結構輕量化設計的重要手段，同時也說明CAE技術在產品概念開發和產品設計階段具有重要的指導參考作用。

參考文獻：

[1]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，李楚琳．基于HyperWorks 的結構優化技術? 北京.

機械工業出版社 2007.

[2]陳軍．MSC.ADAMS技術與工程分析實例? 北京 中國水利水電出版社 2008.

[3]陳家瑞. 汽車構造[M]，2004.