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1、- 1 -OptiStruct 结构优化方法及其在车体结构轻量化设计上的应用芮 强 王红岩 方 剑（装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072）摘 要: 在综述了结构优化设计方法及其在车辆结构设计中的应用现状基础上，将 OptiStruct 软件强大的结构优化功能应用于车体结构的轻量化设计，针对车体的复杂承载结构特点，分为概念优化设计、局部优化设计及详细优化设计 3 个阶段，采用了承载结构拓扑优化、表面板壳结构形貌优化及局部的形状及尺寸优化等优化设计手段对车体进行了结构优化设计，为相同类型结构部件的结构优化及轻量化设计提供了设计思路。关键词: 车体结构，结构优化设计，轻量化，OptiStru
2、ctStructure Optimization Methods of OptiStruct and its Application on Lightweight Design of Vehicle Body(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)Abstract: Firstly, structure optimization methods and its application status on structure design
3、of vehicle components are summarized. 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 conc
4、eptual optimization design, 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
5、 effective approach for lightweight design of similar types of structures.Key words: Vehicle Body, Structure Optimization Design, Lightweight Design, OptiStruct1 引言车体结构轻量化的途径主要有两种，一种是从新材料入手，广泛采用轻金属或现代复合材料等低密度材料作为原料，以达到减重的目的；二是从优化设计入手，对现有钢结构进行优化设计，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。前者轻量化效果明显，减重幅度比较大，但存在研发成本高、工艺复杂等
6、问题；后者成本低、容易实现，如果方法得当，也能得到良好的轻量化效果。车体结构轻量化的目的是在不改变材料且不牺牲任何刚强度特性及动态特性的前提下实现车体结构质量的最小化。2 结构优化设计方法概述2.1 结构优化类型按照设计变量类型和优化层次，结构优化可以分为截面尺寸优化、形状优化和拓扑优化 1。从其发展的历程而言，优化技术也是按照这个顺序由低向高进化的。结构优化设计的早期研究主要集中于截面尺寸优化问题。例如，寻找一个桁架单元最佳的横截面尺寸，或者一个平板结构的最佳厚度。截面尺寸优化是结构优化设计中最早开展研究的领域也是发展相对成熟的领域，它以截面尺寸为设计变量，通过寻求最优截面尺寸达到减小结构质
7、重的目的。约束条件可以是应力约束、位移约- 2 -束、局部稳定、频率约束、动响应约束等。随着结构优化技术的进一步发展，人们开始考虑寻找结构的最优边界问题。形状优化是通过调整结构内外边界形状来改善结构性能和达到节省材料的目的。结构形状优化从对象上区分，主要有杆系结构和连续体结构。它的特点是设计区域的形状可以变化，但是设计区域内的拓扑关系在形状优化过程中是固定不变的。这就要求在设计的初始阶段确定结构的最优拓扑形式，但是在没有任何先验知识的条件下，这往往很难做到。即使得到了最优的拓扑关系，在形状优化过程中还需要几次重新划分有限元网格，若要在设计过程中改变结构拓扑，则将使设计问题更加复杂。形状优化问题
8、可以被看作是在设计初始阶段开始执行优化计算的。拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式，或在设计空间内寻求结构最佳的布置方式，以优化结构的某些性能或减轻结构的质量。结构拓扑优化能在工程结构设计的初始阶段为设计者提供一个概念性设计方案，使结构在布局上采用最优方案，所以，与截面优化和形状优化相比能取得更大的经济效益，也更易被工程设计人员所接受，该技术已成为当今结构优化设计研究的一个热点。但拓扑优化设计也被公认为是结构优化领域中更为困难，更具有挑战性的课题。2.2 结构拓扑优化方法结构拓扑优化可分为离散体结构和连续体结构拓扑优化两大类 2。离散体结构拓扑优化的历史可以追溯到 1904
9、年 Michell 提出的桁架理论，但这一理论只能用于单工况并依赖于选择适当的应变场，不能应用于工程实际。1964 年 Dorn, Gomory, Greenberg 等人提出了基结构法（Ground Structure Approach） 3，将数值计算方法引入到拓扑优化领域中，克服了 Michell 桁架理论的局限性。该方法的基本思路是：从基结构模型出发，应用优化算法（数学规划法或准则法） ，按照某种规划或约束，将一些不必要的杆件从基结构中删除，并认为最终剩下的杆件决定了结构的最优拓扑形式。此后拓扑优化的研究陆续活跃起来，相继有一些解析和数值方面的理论被提出来，Dobbs和 Shen 等人
10、使用最速下降法和分枝定界法分别求解了在应力和位移两类约束下桁架结构在多工况作用下的最优拓扑。王光远及 Kirsch 等人提出了结构拓扑优化的两相法、两阶段法及优化准则类推法，使求解拓扑优化的能力有较大提高。此外，段宝岩、谭中富与孙焕纯等人提出采用内力作为设计变量构造了非线性规划，求解了多工况拓扑优化问题。针对大型结构的拓扑优化问题，Zhou和 Rozvany4 6发展了一种优化准则类算法，即 OC 算法，采用这种算法可使准则法求解拓扑优化的能力大为提高。连续体结构拓扑优化由于其优化模型描述的困难和数值算法的巨大计算量，因而发展较慢。1988 年 Bendsoe 和 Kikuchi 提出结构拓扑
11、优化的均匀化方法，标志着对连续体结构拓扑优化的研究进入了蓬勃发展的阶段 7, 8。从描述拓扑优化问题方法的角度分析，连续体结构的拓扑优化有两大类：基于微观结构的材料方法和基于宏观结构的几何法，前者主要包括变厚度法、均匀化方法、密度惩罚法、渐进结构优化法、独立连续映射模型方法等；后者主要包括冒泡法、拓扑函数方法和水平集法等。结构拓扑优化仍然处在发展初期，但是由于结构拓扑优化的优化潜力巨大，近几十年来，国内外越来越多的学者投入到该领域的研究中。- 3 -3 结构优化技术在车辆结构设计中的应用结构优化技术已经成功应用于国外汽车行业。福特汽车公司进行了轿车的基于 NVH 和碰撞安全性要求下的轻量化研究
12、 9。研究应用 MSC/NASTRAN 和 RADIOSS 软件，以白车身的各部件尺寸为主要优化变量，以 NVH 值和白车身变形量为约束，以质量为优化目标，实现了在不降低性能的条件下减重 15kg。大众公司采用结构拓扑优化技术实现了对动力舱支架及发动机热护套等零部件的优化设计 10。北美汽车钢铁联盟以福特汽车公司一款非常成功的钢材料 SUV 车架为原型，在不改变材料且不牺牲任何刚度的前提下实现了该车架的轻量化设计，最终全新设计的车架与原型相比，减重 23%，弯曲刚度略有提高，扭转刚度提高 30%11。在国内，结构优化技术在车辆设计中的成熟应用相对较晚，姚成 12采用拓扑优化设计方法对CXQ92
13、60TJZP 型集装箱半挂车车架进行了拓扑优化设计。刘竹清等 13采用梁单元的某全承载式客车骨架有限元模型，以一些构件的截面尺寸为优化变量，分别以扭转刚度和一阶模态频率为约束，分两阶段对车体骨架结构进行优化，从而使车身质量减小了 19.67%。陈茹雯 14应用 ANSYS 软件采用板壳单元车身模型对某军车车身进行了拓扑优化，到达了在车身质量减少 25.65%的基础上，最大静应力减小 7.73%，车身刚度提高了 1.35 倍的优化效果。杨振兴、杜海珍等人 15,16分别采用渐进结构优化方法对车架及车门结构进行了优化设计。周旋 17对典型重型专用车车架进行了离散拓扑优化，在不增加车架质量的前提下，
14、提高了车架的扭转刚度，降低了车架应力响应。从国内的研究现状可以看出，目前应用于车辆上的轻量化设计研究主要集中在汽车一般零部件、车身骨架等方面，对于车体结构等主要承载结构件的轻量化设计研究还很少报道。另外，研究中多是对构件的截面尺寸进行优化，采用全板壳单元有限元计算模型的不多，在已见报到的包含拓扑优化的研究中，模型的规模不大，考虑的工况和因素也不全面，采用的算法是否适用于大规模模型的问题还需要进一步探讨。4 车体结构轻量化设计过程车体结构轻量化设计过程可以分为概念优化设计、局部优化设计和详细优化设计 3 个阶段。概念优化设计阶段：通过建立概念设计模型，定义封闭的设计空间，在给定边界条件下通过拓扑
15、优化技术寻找出在该优化空间中的最佳材料布局。局部优化设计阶段：根据第一步得出的材料布局可以获得大体的结构设计思路，但是材料的分布不够清晰，因此在第二步设计中采用局部拓扑优化技术，将该部位的设计空间重新定义再次进行拓扑优化设计。详细优化设计阶段：由上两步获得清晰的材料布局，可以根据这一思路并结合制造工艺设计，并进行最终的尺寸和形状优化。针对车辆车体结构形式及承载特点，其结构轻量化设计的 3 个阶段示意图如图 1 所示。具体优化设计过程分为以下几个步骤：（1）在概念优化设计阶段主要对车体承载框架部分进行拓扑优化，找出框架结构的空间布置样式，并根据优化计算结构，抽象出离散的设计方案，为下一步的局部优
16、化设计提供设计思路；（2）对车体薄壁板壳结构进行形貌优化设计，找出表面冲压筋的分布位置及分布样式；图 1 车体结构轻量化设计的 3 个阶段- 4 -（3）在局部优化设计阶段主要对概念优化设计结果进行局部优化设计，找出需要增加或者删除的区域，确定结构的最终布局。（4）在详细优化设计时，主要通过尺寸优化确定各个部分的几何尺寸、如板壳的厚度，梁结构的截面形状等；（5）针对细部结构可能存在的应力集中问题，可以采用形状优化技术改变局部区域形状，进行倒角或者几何光顺处理，经过详细设计阶段处理的结构即为最终的设计方案。车体结构轻量化设计流程如图 2 所示。图 2 车体结构轻量化设计流程5 结论车体通常是由各种梁和板壳结构组成的复杂空间框架结构，在轻量化设计过程中，采用单一的优化方法往往无法取得较为满意的优化结果，本文将车体结构的轻量化设计过程分为概念优化设计、局部优化设计及详细优化设计 3 个阶段，综合采用 OptiStruct 软件所具备的拓扑优化、形貌优化、局形状及尺寸优化等多种优化设计手段对车体进行了
