基于多工况多目标的车身拓扑优化技术研究

拓扑优化（topology optimization）是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。在现在的汽车或其他行业中，拓扑优化技术应用越来越广泛，特别是在产品设计前期，基于多目标多工况等条件下，可以进行单个结构件（如摆臂）、白车身、整车等拓扑优化研究，通过拓扑优化，我们可以找到关键的传力路径以及关键的区域。

一、拓扑分析相关基础

1、目的：从整车开发的概念设计阶段，一直到数据冻结前，会涉及到较多的系统性能分析。由于项目节点的要求，往往需要CAE工程师们快速对某些性能进行验算，并给出相应的建议。对于经验丰富的工程师能够发现关键的问题点，就可以得到比较有效的改进方案；对于经验不足的人员来说，由于经验的缺乏，往往不能准确快速找出性能提升的位置及结构设计的薄弱点。基于这种情况，采用拓扑技术对车身结构薄弱区域进行识别显得十分必要。

2、范围：从单个零部件>车身系统>TB>整车，均可以对其薄弱区域进行识别。对于整车车身结构，或者局部结构，或者单个零件，均可以对其薄弱区域进行识别。车身的许多性能分析都可以尝试采用此种方法，例如：刚度，模态，碰撞，NTF, VTF、路噪等。

3、流程：定义设计空间>定义分析模型>定义优化三要素（如目标、响应及约束条件等）>求解计算>解读拓扑结果>验证拓扑优化方案。

图1 拓扑优化分析流程

二、拓扑优化案例

若在前期有个白车身需要通过拓扑优化技术进行车身整体刚度及模态等性能优化分析，具体步骤如下：

1、目的：通过对车身整体模态及刚度进行分析，采用拓扑优化技术，识别出车身结构相对薄弱区域。

2、工况：（1）弯曲刚度分析工况（2）扭转刚度分析工况   （3）弯曲模态分析工况（4）扭转模态分析工况

3、目标函数：（1）响应：包括弯曲刚度、扭转刚度、扭转模态、弯曲模态、综合应变能以及体积分数等；（2）约束：弯曲刚度大于15000N/mm，扭转刚度大于18000Nm/deg，扭转模态大于45Hz，弯曲模态大于50Hz，体积分数小于0.2。（3）目标：综合应变能最小。

三、拓扑优化步骤

1、定义设计空间：选取下车体包络面区域作为设计空间。基于Hypermesh软件，mesh>Shrink Wrap Mesh>elems（设置好相关的参数）>选取所需要的拓扑区域>mesh。拓扑与非拓扑区域通过tie连接。

图2 拓扑区域生成

2、定义设计空间材料：如为了使20mm填充实体与2mm左右AL等价，则可填充体弹性模量约为7000MPa，同时尽量不要产生附加质量。

3、定义分析工况：如弯曲扭转刚度工况，弯曲扭转模态工况、碰撞及强度工况等。

4、定义优化函数：包括响应、约束及目标等，对车身进行工况分析时，需要考虑各工况之间的权重。通常情况下，车身受力的各种工况可以分为纵向力，侧向力，垂向力 ，扭转力偶，弯曲力矩等受力形式。一般情况下在车身设计前期，对其进行综合工况分析时，需要考虑各工况的权重。一般车身的弯曲刚度和扭转刚度权重为1.0。

图3 刚度响应定义

图4 加权应变能定义

图5 体积分数定义

图6 约束定义

图7 目标函数定义

四、拓扑优化结果解读

通过拓扑优化计算，在给定条件下，可能通过拓扑结果识别相对薄弱区域以及关键传力路径，为产品开发和结构优化提供极为重要的参考。

1、拓扑结果查看

图8 拓扑优化结果

通过多次迭代计算，从拓扑优化优化结果可以看出以下位置需要重点加强：

1、前纵梁区域、A柱下部门框处、门槛梁区域；

2、后纵梁区域及门槛梁与后轮罩的连接位置等等。

2、目标函数迭代收敛图

通过多次迭代求解，可以看出在满足给定条件下，目标函数、刚度位移以及综合应变能趋于稳定收敛。

图9  目标函数迭代收敛图

图9  弯曲刚度迭代收敛图

图10  扭转刚度迭代收敛图

图11  综合应变能迭代收敛图

五、小结

基于多工况多目标的拓扑优化技术，对白车身进行了多工况多目标拓扑优化，可以得到了关键的传力路径和受力区域，对于前期开发和后期优化等方面具有较大的指导意义，同时可以不受限于工程师的经验也能提出合理的结构改进方案及思路。拓扑优化的应用前景将会越来越宽广，其价值也必将得到极大的体现，为汽车乃至机械工业的发展注入强大的推力。