拓扑优化方法在轻卡车身结构改进中的应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 拓扑优化方法在轻卡车身结构改进 中的应用 摘 要 拓扑结构优化是一种数学 研究方法，该方法在汽车结构优化设计 中的应用十分广泛。拓扑技术通过构造 模型的方法，对轻型卡车不合理的外形 进行改进，提高卡车的结构强度。本文 具体研究了拓扑结构优化方法，对该方 法在轻卡车身改进应用中的细节进行了 分析。 中国论文网 /7/view-12971095.htm 关键词 轻型卡车 拓扑优化 结 构性能 2004 年 Pedreson 将拓扑理念应 用在了汽车安全系统中，完成了对汽车 功能部件的结构优化。在 2005 年， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 A.I.Chande 和 R.J.Yan 利用拓扑软件对 车门、车架、曲轴进行了优化改造，进 一步扩大了拓扑技术的应用范围。2011 年以来，拓扑技术在汽车结构优化中的 应用越来越广泛，使轻型卡车车身的结 构功能越来越合理。 一、拓扑优化技术的基本原理 拓扑原理主要是为了寻求区域中 的最优解，使汽车结构能够达到最合理 状态。常用的拓扑结构研究方法有厚度 变化方法、密度变化法、均匀变化法三 种。拓扑研究数据具有连续性，该方法 最早应用于水利工程中的堤坝重力优化 问题。 研究区域是由很多孔洞微单元组 成，在结构优化过程中，微单元的孔洞 大小会发生变化。如果某研究区域的微 单元全部变成孔洞，那么整个研究区域 就会出现一个大孔洞；如果研究区域的 微单元全部消失，那么研究区域就会变 成一个实体结构。初始材料在结构上实 现了重新分配，形成了新的结构模式， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 该条件下的拓扑结构就是最优拓扑结构。 二、拓扑理论在轻型卡车车身优 化中的应用 1、轻卡车身的拓扑优化有限元 模型 首先应该建立轻卡车身的结构模 型，要根据模型中的具体参数，进行拓 扑结构优化。在建立拓扑优化有限模型 的时候，应该多考虑轻卡车身的实际情 况，留出车身、车窗和车门的空间。由 于车身的材料都是钢制的，在进行拓扑 优化的时候，应该多分析车身不同区域 的密度变化状况。拓扑优化的有限元结 构模型如图 1 所示： 2、轻卡车身拓扑的优化实现 （1）车身在弯曲情况下的负载 约束。为了反映出车身在负载情况下的 实际受力情况，假设司机、乘员和座椅 的总重量为 300kg，然后再往座椅位置 上增加 1500N 的重物。拓扑模型全都是 以壳状结构为主，由于没有强筋支撑， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 如果重物负载的位置靠近驾驶室中央， 就会导致结构模板塌陷，使拓扑计算难 以进行。通常会将负载的位置放在座椅 直线的四周、驾驶室的四角上，以减少 重物对中心的负载压力。以驾驶室的 4 个对角为研究对象，建立拓扑研究模型。 （2）车身在扭转情况下的负载 约束。在车身模型的前端选择 2 个竖直 向上的支撑点，用大小相等、方向相反 的两个力作用支撑点，观察此时车身的 受力扭转情况，作用力的大小为 1000N，如果观察效果不明显，还可以 继续增加作用力。以车身前端受力点为 研究对象，建立拓扑研究模型，如图 2 所示： 对这两种状况下的车身变化情况 进行分析，会发现弯曲挠度为 0.6mm， 其中扭转状况下车身的最大变形为 3mm，弯曲状况和扭转状况的变形云图。 本次拓扑优化是研究车身在弯曲、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 扭转状况下的变形情况，在车身刚度确 定的情况下，通过使车身体积最小化， 确定加强筋的合理位置。拓扑问题主要 是研究弯曲、扭转状态下的车身位移。 对车身的形变量进行计算后，就会探索 出车身空间结构的内部密度分布状况。 在每次拓扑优化的时候，应该先 进行一次迭代，根据数据的收敛状况绘 出拓扑模型的形状。拓扑的位移约束不 能比初次计算相差太多，选取初始计算 80%的位移，这时候得到的优化结果最 好，收敛时间最短；将拓扑目标设置为 最小化，对最小化的模型进行空间拓扑 优化，就可以得到车身的密度的分布规 律。 3、对轻卡车身结构的优化结果 运用 Optsruct 软件对轻卡车身进 行拓扑优化，从最终的拓扑优化结果可 以看出，车身顶部逐渐形成“人” 字形， 底部模板变成了“X”字形。拓扑优化科 学合理，在实际生产生活中应用十分广 泛。地板的拓扑线条朝着两侧和负载线 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 聚集，拓扑形状和车身结构强筋位置一 致。 三、结束语 在对汽车结构进行优化之前，应 该先为汽车建立拓扑模型，通过将拓扑 理论、拓扑优化方法运用在汽车模型中， 能够简化汽车的外形设计。拓扑优化理 念早在 20 世纪 60 年代就被提了出来。 在 20 世纪 80 年代，拓扑技术主要用于 飞机