车身复杂钣金件的拓扑优化设计

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【摘要】随着计算机软件分析技术的发展，采用拓扑技术设计钣金件来制造汽车车身已经可以用于实践。本文介绍了拓扑优化设计的理论依据和特点，详细阐述了设计过程。

【关键词】钣金件；拓扑设计

拓扑优化设计在汽车车身上的应用，能够满足约束条件，充分考虑到结构的特性。具体而言，要先利用拓扑优化计算零件材料的最佳分配方案，在弹性力学的理论和实践经验指导下，形成零件的基本结构。最后对零件进行力矩、模态的拓扑分析，形成成品的零件结构。

1 拓扑优化分析

1.1 拓扑优化分析的理论和算法

对汽车车身的钣金件而言，拓扑优化与传统的结构优化明显的区别在于：结构优化的优化变量要以特定的结构尺寸作为参数，优化变量是需要根据实际情况提前设定的。结构优化对于车身钣金件的复杂程度而言，第一，合适的参数提取是一个大困难。第二，结构设计模块技术不过关，限制了结构优化的广泛应用。

拓扑优化则不同，它的设计变量是单元厚度，其设计依据在于“伪厚度”。在优化设计的过程中，单元厚度较小的部位会弱化处理，厚度较大的部位会强化处理，从而实现结构上的优化。

一般情况下，对车身进行拓扑设计时会确定约束函数和目标函数。约束函数是设计人员所提供的，比如体积增大20%、体积减小40%等。目标函数则是在满足约束函数的基础上，尽量减小结构的变形，从而提高结构的自身刚度。多目标函数的提出，能够使约束更加严格。对不同的目标函数进行处理时，通常采用加权处理的方法，会对优化效果产生一定的影响。

1.2 拓扑优化分析的特点

拓扑优化分析的进行，能够让设计人员对产品的结构和特征进行全面了解，从而在总体结构和具体结构的设计上更加具有针对性。在产品设计之初，对零部件的设计仅仅依靠想象力和经验是不够的，应该利用拓扑技术分析约束条件，同时结合设计经验，才能使产品满足技术和工艺条件。

如果产品的形状比较规则，那么就可以对产品的局部结构进行优化。而车身的钣金件一般都比较复杂，多以曲线和曲面呈现，结构参数的设定具有一定的困难。另外，现有的计算方法不能满足结构优化的要求，所以通过参数化设定来进行结构的优化还不能成为现实。

在产品设计中加入了拓扑优化技术，改变了传统的设计理念，为设计人员提供了科学准确的设计依据。拓扑优化设计的特点如下：第一，能够避免产品内部零件在设计上的盲目性，从而防止产品抄袭带来的设计上的缺陷。第二，能够最大程度上的利用原材料，大大减轻产品重量。第三，能够确保产品模态的最优化，通过保持力和力矩的特性来提高零件的整体性能。第四，能够确保零件在制造中的工艺是最佳的，通过减少一些复杂的结构来实现产品的简单化，同时也降低生产成本。

2 拓扑优化设计的过程

汽车车身内部的钣金件，评价其内在性能的指标是结构的强度和刚度，评价其外部性能的指标是结构的工艺性和装配技术。拓扑优化设计，主要针对的是产品的内部性能，对其进行预测和优化。提高产品的外在性能，则需要人为干预。所以，一项优良的设计产品，既需要拓扑优化设计，又需要有丰富的设计经验。为了保证产品的性能，可以在产品的不同设计阶段反复使用拓扑优化技术。另外，当面对不同的零件类型时，也要选择不同的拓扑优化方案进行设计工作。以下，以汽车的发动机罩内板为例，详细介绍拓扑优化设计的全部过程：

第一步，单模态或多模态的计算力或力矩的计算。其计算依据在于发动机罩外板的造型、内板的约束条件，以及内板和外板的整体工艺条件。

第二步，计算出零件各部位的相对刚度。这一步计算的依据来源于“伪厚度”图，在计算过程中要明确所有零件之间的配合关系、连接方式等。同时，以设计经验和产品特点为依据，开展零部件的初始设计工作（见图1）。在计算过程中要注意，车身复杂的钣金件，实质上是由各类截面组合在一起的。不同的截面形状，会直接影响到零件的性能。

第三步，在初始设计的基础上进行拓扑优化分析，从而找到不足之处进行设计上的改进（见图2）。当产品某个区域的“伪厚度”接近于零时，也就意味着该处对总体结构的贡献率很小，可以除去该区域，然后进行边界的细化处理。

图1 初始设计方案A 图2 改进设计方案B

第四步，对于改进前和改进后的数据进行对照分析与处理，从而得出各项指标的变化程度（见表1）。对这种变化进行原因分析和对产品性能的影响大小分析，以此确定改进方案的可操作性。

表1 方案A和方案B的结果比较

项目 面积（） 前五阶模态值（Hz）

一阶 二阶 三阶 四阶 五阶

理论值 方案A 0.766 30.667 42.875 60.301 69.365 73.966

方案B 0.698 28.002 41.732 51.356 61.589 71.298

（A-B）/A 8.8% 8.7% 2.6% 14.8% 11.2% 3.6%

试验值 方案A 0.801 26.7 40 57.5 65 75.1

方案B 0.733 28.2 40 47.5 60 72

（A-B）/A 8.5% -5.6% 0 17.3% 7.7% 4.1%

第五步，对优化后的产品进行测试，将分析数据和表1进行对比，从而验证分析结果的可靠性。

第六步，方案的选定。

3 模态测量实验

3.1 实验工艺技术

模态测量实验的仪器是Polytec激光模态分析仪，能够对产品进行模态测量和分析。这台仪器的重要组成部分有主机、功率器、激振器、激光器、数据线、分析软件等。以实际的工作情况为依据，对制件进行固定。

该仪器的工作原理在于：首先，利用软件对制件进行精细的网格划分，同时形成一些结点。这其中，发动机罩内板被离散为1800个结点。然后，激光测头发挥作用，来测量结点的速度，以此计算出单元内部各点的速度值。最后，通过相关的软件进行傅立叶的快速变换，通过函数求出共振频率。

在这个过程中，要注意两点事项：第一，谱密度处理时会将原来集中在一个频率的功率分散到宽阔的频域范围，所以主瓣周围会出现许多副瓣，它们的峰值普遍较小，在分析时要进行识别的取舍。第二，激光测头直接测量制件的表面时，能够消除利用传感器获取信息而产生的噪音，所以具有精度高、方便快捷、交互性好的特点。

3.2 实验结果分析

由表1可知，改进后的方案虽然面积减少了，但一、二、五阶模态值的变化不大，三、四阶模态值变化大一些。当外板和内板压合之后，总体刚度会大幅提高，达到工况要求。所以，方案B的优势在于，在保证模态的前提下，降低了钣金件的制造成本。

4 结束语

在物理的弹性力学基础上，对于汽车车身的复杂钣金件进行拓扑优化分析和设计，是一种新型的、先进的工艺技术，为产品设计和改进提供了科学的依据，能够减少设计失误，从而提高产品质量。充分利用拓扑优化设计工艺，来推动我国汽车车身乃至整个汽车行业的不断进步与发展。

参考文献：

[1]徐晓瑜,郭永进.电动低速汽车车身结构刚度约束拓扑优化设计[J].机械设计与研究,2010(02).

[2]龙江启,兰凤崇,陈吉清.车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J].机械工程学报,2008(06).