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

1、 Altair2009 HyperWorks 技術(shù)大會論OptiStruct 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其在車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計上的應(yīng)用芮 強 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)計上的應(yīng)用 Structure Optimization Methods of OptiStruct and its Application on Lightweight Design of VehicleBody芮 強 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)計方法及其在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，將 OptiStruct 軟 件強大的結(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，針對車體的復(fù)雜承載結(jié)構(gòu)特點，分為概念優(yōu)化設(shè)計、局部優(yōu)化設(shè)計及詳細優(yōu)化設(shè)計 3 個階段，采用了承載結(jié)構(gòu)拓撲優(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)計手段對車體進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，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)計提供了設(shè)計思路。 關(guān)鍵詞: 車體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，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，以達到減重的目的；二是從優(yōu)化設(shè)計入手，對現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，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、容易實現(xiàn)，如果方法得當，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度特性及動態(tài)特性的前提下實現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的最小化。 2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法概述 2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化類型 按照設(shè)計變量類型和優(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)化和拓撲優(yōu)化1。從其發(fā)展的歷程而言，優(yōu)化技術(shù)也是按照這個順序由低向高進化的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的早期研究主要集中于截面尺寸優(yōu)化問題。例如，尋找一個桁架單元最佳的橫截面尺寸，或者一個平板結(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)計中最早開展研究的領(lǐng)域也是發(fā)展相對成熟的領(lǐng)域，它以截面尺寸為設(shè)計變量，通過尋求最優(yōu)截面尺寸達到減小結(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、動響應(yīng)約束等。 隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的進一步發(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)性能和達到節(jié)省材料的目的。結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化從對象上區(qū)分，主要有桿系結(jié)構(gòu)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)。它的特點是設(shè)計區(qū)域的形狀可以變化，但是設(shè)計區(qū)域內(nèi)的拓撲關(guān)系在形狀優(yōu)化過程中是固定不變的。這就要求在設(shè)計的初始階段確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲形式，但是在沒有任何先驗知識的條件下，這往往很難做到。即使得到了最優(yōu)的拓撲關(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)計過程中改變結(jié)構(gòu)拓撲，則將使設(shè)計問題更加復(fù)雜。形狀優(yōu)化問題可以被看作是在設(shè)計初始階段開始執(zhí)行優(yōu)化計算的。 拓撲優(yōu)化

8、的目的是尋求結(jié)構(gòu)的剛度在設(shè)計空間最佳的分布形式，或在設(shè)計空間內(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)拓撲優(yōu)化能在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始階段為設(shè)計者提供一個概念性設(shè)計方案，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)濟效益，也更易被工程設(shè)計人員所接受，該技術(shù)已成為當今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的一個熱點。但拓撲優(yōu)化設(shè)計也被公認為是結(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)拓撲優(yōu)化方法 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化可分為離散體結(jié)構(gòu)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化兩大類2。離散體結(jié)構(gòu)拓撲優(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?shù)膽?yīng)變場，不能應(yīng)用于工程實際。1964 年Dorn, Gomory, Greenberg等人提出了基結(jié)構(gòu)法（Ground Structure Approach）3，將數(shù)值計算方法引入到拓撲優(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，并認為最終剩下的桿件決定了結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲。此后拓撲優(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)拓撲。王光遠及Kirsch等人提出了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的兩相法、兩階段法及優(yōu)化準則類推法，使求解拓撲優(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)計變量構(gòu)造了非線性規(guī)劃，求解了多工況拓撲優(yōu)化問題。針對大型結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化問題，Zhou和Rozvany4 6發(fā)展了一種優(yōu)化準則類算法，即OC算法，采用這種算法可使準則法求解拓撲優(yōu)化的能力大為提高。 連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化由于其優(yōu)化模型描述的困難和數(shù)值算法的巨大計算量，因而發(fā)展較慢。1988 年Bendsoe和Kikuchi提出結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的均勻化方法，標志著對連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的研究進入了蓬勃發(fā)展的階段7, 8。從描述拓撲優(yōu)

11、化問題方法的角度分析，連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(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、漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法、獨立連續(xù)映射模型方法等；后者主要包括冒泡法、拓撲函數(shù)方法和水平集 法等。 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化仍然處在發(fā)展初期，但是由于結(jié)構(gòu)拓撲優(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，實現(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)拓撲優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)了對動力艙支架及發(fā)動機熱護套等零部件的優(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現(xiàn)了該車架的輕量化設(shè)計，最終全新設(shè)計的車架與原型相比，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)計中的成熟應(yīng)用相對較晚，姚成12采用拓撲優(yōu)化設(shè)計方法對CXQ9260TJZP型集裝箱半掛車車架進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計。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， 分兩階段對車體骨架結(jié)構(gòu)進行優(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某車身進行了拓撲優(yōu)化，到達了在車身質(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分別采用漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對車架及車門結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。周旋17對典型重型專用車車架進行了離散拓撲優(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)計研究主要集中在汽車一般零部件、車身

14、骨架等方面，對于車體結(jié)構(gòu)等主要承載結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計研究還很少報道。另外，研究中多是對構(gòu)件的截面尺寸進行優(yōu)化，采用全板殼單元有限元計算模型的不多，在已見的包含拓撲優(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一步探討。 4 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計過程 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計過程可以分為概念優(yōu)化設(shè)計、局部優(yōu)化設(shè)計和詳細優(yōu)化設(shè)計 3 個階段。概念優(yōu)化設(shè)計階段：通過建立概念設(shè)計模型，定義封閉的設(shè)計空間，在給定邊界條件下通過拓撲優(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)計思路，但是材料的

15、分布不夠清晰，因此在第二步設(shè)計中采用局部拓撲優(yōu)化技術(shù)， 將該部位的設(shè)計空間重新定義再次進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。詳細優(yōu)化設(shè)計階段：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，并進行最終的尺寸和形狀優(yōu)化。 針對車輛車體結(jié)構(gòu)形式及承載特點，其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的 3 個階段示意圖如圖 1 所示。具體優(yōu)化設(shè)計過程分為以下幾個步驟： 1、在概念優(yōu)化設(shè)計階段主要對車體承載框架部分進行拓撲優(yōu)化，找出框架結(jié)構(gòu)的空間布置樣式，并根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)構(gòu)，抽象出離散的設(shè)計方案，為下一步的局部優(yōu)化設(shè)計提供設(shè)計思路； 2、對車體薄壁板殼結(jié)構(gòu)進行形貌優(yōu)化設(shè)計，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)計的 3 個階段 3、在局部優(yōu)化設(shè)計階段主要對概念優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行 局部優(yōu)化設(shè)計，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、在詳細優(yōu)化設(shè)計時，主要通過尺寸優(yōu)化確定各個部分的幾何尺寸、如板殼的厚度，梁結(jié)構(gòu)的截面形狀等； 原始設(shè)計方案 車體骨架拓撲優(yōu)化板殼結(jié)構(gòu)的形貌優(yōu)化最終設(shè)計方案 局部尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化5、針對細部結(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，進行倒角或者幾何光順處理，經(jīng)過詳細設(shè)計階段處理的結(jié)構(gòu)即為最終的設(shè)計方案。車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程如圖 2 所示。 圖 2 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程 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)計過程分為概念優(yōu)化設(shè)計、局部優(yōu)化設(shè)計及詳細優(yōu)化設(shè)計 3 個階段，綜合采用 OptiStruct 軟件所具備的拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、局形狀及尺寸優(yōu)化等多種優(yōu)化設(shè)計手段對車體進行了輕量化設(shè)計，提出了車體結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計流程，優(yōu)化前后各項性能指標的比較表明優(yōu)化效果顯著。 6 參考文獻 1 Bendsoe, M.P., and Sigmund, O. Topology Optimization - Theory, Methods and Applications M. Springer, 20032 Bend

18、soe, M.P. Optimization of Structural Topology, Shape, and MaterialC. Berlin Heidelberg:Springer-Verlag, 1997, 12 (5): 3013123 Dorn W., Gomory R., Greenberg H. Automatic design of optimal structuresJ, J. de Mechanique, 1964, 3910, 25524 Zhou, M., and Rozvany, G.I.N. DCOC: An Optimality Criteria Metho

19、d for Large Systems, Part I:Theory J. Structural Optimization, 1992 (5): 12255 Rozvany, G.I.N. A Critical Investigation of Industrially used Structural Topology Optimization MethodsC. 7th World Congress on Structural and Multi-disciplinary Optimization, Seoul,Korea, 20076 Zhou, M., and Rozvany, G.I.

20、N. DCOC: An Optimality Criteria Method for Large Systems, Part II:Algorithm J. Structural Optimization, 1993 (6): 2502627 Bendsoe M P, Kikuchi N. Generating Optimal Topologies in Structural Design Using a Homogenization Method J. Comp Meth Apple Mech Engrg, 1988, 71 (1): 1972248 許素強, 夏人偉. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究方法綜述J. 航空學(xué)報, 1995, 16 (4): 385396 9 Sobieszczanski-Sobieski, S. Kodiyalam, R.Y. Optimization of Car Body Under Constraints of Noise, Vibration, and Harshness, and Crash J. Str