芮 強(qiáng)_optistruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其在車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用_W

1、 Altair2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)論OptiStruct 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其在車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用芮 強(qiáng) 王紅巖 方 劍 裝甲兵工程學(xué)院 - 8 - OptiStruct 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其在車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用 Structure Optimization Methods of OptiStruct and its Application on Lightweight Design of VehicleBody芮 強(qiáng) 王紅巖 方 劍 （裝甲兵工程學(xué)院） 摘 要: 在綜述了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，將 OptiStruct 軟 件強(qiáng)大的結(jié)

2、構(gòu)優(yōu)化功能應(yīng)用于車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，針對(duì)車體的復(fù)雜承載結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為概念優(yōu)化設(shè)計(jì)、局部優(yōu)化設(shè)計(jì)及詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 個(gè)階段，采用了承載結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、表面板殼結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化及局部的形狀及尺寸優(yōu)化等優(yōu)化設(shè)計(jì)手段對(duì)車體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為相同類型結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及 輕量化設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。 關(guān)鍵詞: 車體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，輕量化，OptiStructAbstract: Firstly, structure optimization methods and its application status on structure design of vehicle components are s

3、ummarized. Then, the structure optimization design software- OptiStruct is applied on lightweight design of vehicle body. According to complicated structural characteristics of vehicle bodies, the lightweight design of vehicle body is divided into three stages, namely conceptual optimization design,

4、 local optimization design and particular optimization design. The methods of topology optimization, topography optimization, shape and size optimization are applied synthetically on the frameworks and surface shells of vehicle body. At last, the research brings forward an effective approach for lig

5、htweight design of similar types of structures.Key words: Vehicle Body, Structure Optimization Design, Lightweight Design, OptiStruct1 引言 車體結(jié)構(gòu)輕量化的途徑主要有兩種，一種是從新材料入手，廣泛采用輕金屬或現(xiàn)代復(fù)合材料等低密度材料作為原料，以達(dá)到減重的目的；二是從優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，對(duì)現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證承載能力和可靠性的前提下減輕其質(zhì)量。前者輕量化效果明顯，減重幅度比較大，但存在研發(fā)成本高、工藝復(fù)雜等問題；后者成本低、容易實(shí)現(xiàn)，如果方法得當(dāng)，也能得到良

6、好的輕量化效果。車體結(jié)構(gòu)輕量化的目的是在不改變材料且不犧牲任何剛強(qiáng)度特性及動(dòng)態(tài)特性的前提下實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的最小化。 2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法概述 2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化類型 按照設(shè)計(jì)變量類型和優(yōu)化層次，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以分為截面尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化1。從其發(fā)展的歷程而言，優(yōu)化技術(shù)也是按照這個(gè)順序由低向高進(jìn)化的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的早期研究主要集中于截面尺寸優(yōu)化問題。例如，尋找一個(gè)桁架單元最佳的橫截面尺寸，或者一個(gè)平板結(jié)構(gòu)的最佳厚度。截面尺寸優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中最早開展研究的領(lǐng)域也是發(fā)展相對(duì)成熟的領(lǐng)域，它以截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，通過尋求最優(yōu)截面尺寸達(dá)到減小結(jié)構(gòu)質(zhì)重的目的。約束條件可以是應(yīng)力約束、位移約束、局部

7、穩(wěn)定、頻率約束、動(dòng)響應(yīng)約束等。 隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們開始考慮尋找結(jié)構(gòu)的最優(yōu)邊界問題。形狀優(yōu)化是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)外邊界形狀來改善結(jié)構(gòu)性能和達(dá)到節(jié)省材料的目的。結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化從對(duì)象上區(qū)分，主要有桿系結(jié)構(gòu)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)區(qū)域的形狀可以變化，但是設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的拓?fù)潢P(guān)系在形狀優(yōu)化過程中是固定不變的。這就要求在設(shè)計(jì)的初始階段確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)湫问?，但是在沒有任何先驗(yàn)知識(shí)的條件下，這往往很難做到。即使得到了最優(yōu)的拓?fù)潢P(guān)系，在形狀優(yōu)化過程中還需要幾次重新劃分有限元網(wǎng)格，若要在設(shè)計(jì)過程中改變結(jié)構(gòu)拓?fù)?，則將使設(shè)計(jì)問題更加復(fù)雜。形狀優(yōu)化問題可以被看作是在設(shè)計(jì)初始階段開始執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算的。 拓?fù)鋬?yōu)化

8、的目的是尋求結(jié)構(gòu)的剛度在設(shè)計(jì)空間最佳的分布形式，或在設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)最佳的布置方式，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的某些性能或減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化能在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)概念性設(shè)計(jì)方案，使結(jié)構(gòu)在布局上采用最優(yōu)方案，所以，與截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比能取得更大的經(jīng)濟(jì)效益，也更易被工程設(shè)計(jì)人員所接受，該技術(shù)已成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)也被公認(rèn)為是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中更為困難，更具有挑戰(zhàn)性的課題。 2.2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可分為離散體結(jié)構(gòu)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化兩大類2。離散體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的歷史可以追溯到 1904 年Michell提出的桁架理論，但這一理論只能用于單

9、工況并依賴于選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)變場(chǎng)，不能應(yīng)用于工程實(shí)際。1964 年Dorn, Gomory, Greenberg等人提出了基結(jié)構(gòu)法（Ground Structure Approach）3，將數(shù)值計(jì)算方法引入到拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域中，克服了Michell桁架理論的局限性。該方法的基本思路是：從基結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，應(yīng)用優(yōu)化算法（數(shù)學(xué)規(guī)劃法或準(zhǔn)則法），按照某種規(guī)劃或約束，將一些不必要的桿件從基結(jié)構(gòu)中刪除，并認(rèn)為最終剩下的桿件決定了結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)洹４撕笸負(fù)鋬?yōu)化的研究陸續(xù)活躍起來，相繼有一些解析和數(shù)值方面的理論被提出來，Dobbs和Shen等人使用最速下降法和分枝定界法分別求解了在應(yīng)力和位移兩類約束下桁架結(jié)構(gòu)在多工況作

10、用下的最優(yōu)拓?fù)洹Ｍ豕膺h(yuǎn)及Kirsch等人提出了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的兩相法、兩階段法及優(yōu)化準(zhǔn)則類推法，使求解拓?fù)鋬?yōu)化的能力有較大提高。此外，段寶巖、譚中富與孫煥純等人提出采用內(nèi)力作為設(shè)計(jì)變量構(gòu)造了非線性規(guī)劃，求解了多工況拓?fù)鋬?yōu)化問題。針對(duì)大型結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題，Zhou和Rozvany4 6發(fā)展了一種優(yōu)化準(zhǔn)則類算法，即OC算法，采用這種算法可使準(zhǔn)則法求解拓?fù)鋬?yōu)化的能力大為提高。 連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化由于其優(yōu)化模型描述的困難和數(shù)值算法的巨大計(jì)算量，因而發(fā)展較慢。1988 年Bendsoe和Kikuchi提出結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的均勻化方法，標(biāo)志著對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的研究進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段7, 8。從描述拓?fù)鋬?yōu)

11、化問題方法的角度分析，連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化有兩大類： 基于微觀結(jié)構(gòu)的材料方法和基于宏觀結(jié)構(gòu)的幾何法，前者主要包括變厚度法、均勻化方法、密度懲 罰法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、獨(dú)立連續(xù)映射模型方法等；后者主要包括冒泡法、拓?fù)浜瘮?shù)方法和水平集 法等。 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化仍然處在發(fā)展初期，但是由于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)化潛力巨大，近幾十年來，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者投入到該領(lǐng)域的研究中。 3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于國外汽車行業(yè)。福特汽車公司進(jìn)行了轎車的基于NVH和碰撞安全性要求下的輕量化研究9。研究應(yīng)用MSC/NASTRAN和RADIOSS軟件，以白車身的各部件尺寸為主要優(yōu)化變量，以N

12、VH值和白車身變形量為約束，以質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了在不降低性能的條件下減重 15kg。大眾公司采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力艙支架及發(fā)動(dòng)機(jī)熱護(hù)套等零部件的優(yōu)化10。 汽車鋼鐵聯(lián)盟以福特汽車公司一款非常成功的鋼材料SUV車架為原型，在不改變材料且不 犧牲任何剛度的前提下實(shí)現(xiàn)了該車架的輕量化設(shè)計(jì)，最終全新設(shè)計(jì)的車架與原型相比，減重 23%， 彎曲剛度略有提高，扭轉(zhuǎn)剛度提高 30%11。 在國內(nèi)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在車輛設(shè)計(jì)中的成熟應(yīng)用相對(duì)較晚，姚成12采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)CXQ9260TJZP型集裝箱半掛車車架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。劉竹清等13采用梁單元的某全承載式客車骨架有限元模型，以一些構(gòu)件的截

13、面尺寸為優(yōu)化變量，分別以扭轉(zhuǎn)剛度和一階模態(tài)頻率為約束， 分兩階段對(duì)車體骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使車身質(zhì)量減小了 19.67%。陳茹雯14應(yīng)用ANSYS軟件采用板殼單元車身模型對(duì)某車身進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，到達(dá)了在車身質(zhì)量減少 25.65%的基礎(chǔ)上，最大靜應(yīng)力減小 7.73%，車身剛度提高了 1.35 倍的優(yōu)化效果。楊振興、杜海珍等人15,16分別采用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)車架及車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。周旋17對(duì)典型重型專用車車架進(jìn)行了離散拓?fù)鋬?yōu)化， 在不增加車架質(zhì)量的前提下，提高了車架的扭轉(zhuǎn)剛度，降低了車架應(yīng)力響應(yīng)。 從國內(nèi)的研究現(xiàn)狀可以看出，目前應(yīng)用于車輛上的輕量化設(shè)計(jì)研究主要集中在汽車一般零部件、車身

14、骨架等方面，對(duì)于車體結(jié)構(gòu)等主要承載結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)研究還很少報(bào)道。另外，研究中多是對(duì)構(gòu)件的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，采用全板殼單元有限元計(jì)算模型的不多，在已見的包含拓?fù)鋬?yōu)化的研究中，問題的規(guī)模不是很大，考慮的工況和因素也不是很多，采用的算法是否適用于大規(guī)模模型的問題還需要進(jìn)一步探討。 4 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)過程 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)過程可以分為概念優(yōu)化設(shè)計(jì)、局部優(yōu)化設(shè)計(jì)和詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 個(gè)階段。概念優(yōu)化設(shè)計(jì)階段：通過建立概念設(shè)計(jì)模型，定義封閉的設(shè)計(jì)空間，在給定邊界條件下通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋找出在該優(yōu)化空間中的最佳材料布局。局部優(yōu)化設(shè)計(jì)階段：根據(jù)第一步得出的材料布局可以獲得大體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，但是材料的

15、分布不夠清晰，因此在第二步設(shè)計(jì)中采用局部拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)， 將該部位的設(shè)計(jì)空間重新定義再次進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段：由上兩步獲得清晰的材料布局，可以根據(jù)這一思路并結(jié)合制造工藝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行最終的尺寸和形狀優(yōu)化。 針對(duì)車輛車體結(jié)構(gòu)形式及承載特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的 3 個(gè)階段示意圖如圖 1 所示。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過程分為以下幾個(gè)步驟： 1、在概念優(yōu)化設(shè)計(jì)階段主要對(duì)車體承載框架部分進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，找出框架結(jié)構(gòu)的空間布置樣式，并根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)構(gòu)，抽象出離散的設(shè)計(jì)方案，為下一步的局部優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)思路； 2、對(duì)車體薄壁板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出表面 沖壓筋的分布位置及分布樣式； 圖 1 車體結(jié)構(gòu)輕

16、量化設(shè)計(jì)的 3 個(gè)階段 3、在局部優(yōu)化設(shè)計(jì)階段主要對(duì)概念優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行 局部優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出需要增加或者刪除的區(qū)域，確定結(jié)構(gòu)的最終布局。 4、在詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過尺寸優(yōu)化確定各個(gè)部分的幾何尺寸、如板殼的厚度，梁結(jié)構(gòu)的截面形狀等； 原始設(shè)計(jì)方案 車體骨架拓?fù)鋬?yōu)化板殼結(jié)構(gòu)的形貌優(yōu)化最終設(shè)計(jì)方案 局部尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化5、針對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)可能存在的應(yīng)力集中問題，可以采用形狀優(yōu)化技術(shù)改 部區(qū)域形狀，進(jìn)行倒角或者幾何光順處理，經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)階段處理的結(jié)構(gòu)即為最終的設(shè)計(jì)方案。車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程如圖 2 所示。 圖 2 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程 5 結(jié)論 車體通常是由各種梁和板殼結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜空間框架結(jié)構(gòu)

17、，在輕量化設(shè)計(jì)過程中，采用單一的優(yōu)化方法往往無法取得較為滿意的優(yōu)化結(jié)果，本文將車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)過程分為概念優(yōu)化設(shè)計(jì)、局部優(yōu)化設(shè)計(jì)及詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 個(gè)階段，綜合采用 OptiStruct 軟件所具備的拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、局形狀及尺寸優(yōu)化等多種優(yōu)化設(shè)計(jì)手段對(duì)車體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，提出了車體結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)流程，優(yōu)化前后各項(xiàng)性能指標(biāo)的比較表明優(yōu)化效果顯著。 6 參考文獻(xiàn) 1 Bendsoe, M.P., and Sigmund, O. Topology Optimization - Theory, Methods and Applications M. Springer, 20032 Bend

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