摘要： 綜述了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在汽車(chē)車(chē)身輕量化中的應(yīng)用歷史和現(xiàn)狀。 對(duì)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了介紹和總結(jié)。 以一款客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例， 探討了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用方法和實(shí)施過(guò)程。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了闡述， 最后展望了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在未來(lái)車(chē)身輕量化中的應(yīng)用趨勢(shì)和前景。

1 引言

隨著人們對(duì)汽車(chē)安全性、 舒適性和環(huán)保性能要求的提高， 越來(lái)越多的功能設(shè)備被安裝到汽車(chē)上， 直接增加了汽車(chē)的質(zhì)量與油耗， 提高了汽車(chē)尾氣排放量。 從汽車(chē)產(chǎn)品的整個(gè)生命和周期看， 油耗費(fèi)用是生命和周期總費(fèi)用的主體， 占汽車(chē)生命周期費(fèi)用的 71％ ， 對(duì)用戶(hù)而言， 降低油耗費(fèi)用以節(jié)約運(yùn)行成本是迫切的要求。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 汽車(chē)每減輕其總質(zhì)量的 10％ ， 油耗可降低 6％～8％。 客車(chē)車(chē)身質(zhì)量占總質(zhì)量的 25％～30％ ， 車(chē)身制造成本占整車(chē)制造成本的比重超過(guò) 50％ 。 因此， 客車(chē)車(chē)身輕量化對(duì)整車(chē)的輕量化有著重要意義。

車(chē)身輕量化的目的在于確保車(chē)身強(qiáng)度、 剛度和模態(tài)等結(jié)構(gòu)特性要求的前提下， 減輕車(chē)身骨架的質(zhì)量。 車(chē)身輕量化不僅可以減少鋼材使用和燃油消耗，減少污染排放，提高車(chē)速，改善汽車(chē)起動(dòng)和制動(dòng)性能，而且可以有效減少振動(dòng)和噪聲， 增加汽車(chē)和道路的使用壽命。

實(shí)現(xiàn)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化主要有兩個(gè)途徑： 一是選用強(qiáng)度更高、重量更輕的新材料，例如鋁合金、高強(qiáng)度鋼材等；二是設(shè)計(jì)更合理的車(chē)身結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對(duì)車(chē)身零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等。 第一種途徑在目前看來(lái)是車(chē)身輕量化的主流， 針對(duì)規(guī)模化生產(chǎn)的需要， 已有很多輕質(zhì)材料應(yīng)用于車(chē)身制造工業(yè)， 如高強(qiáng)度鋼、 鋁合金和碳纖維等。 第二種途徑是利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法對(duì)車(chē)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)， 以減小車(chē)身骨架和車(chē)身鋼板的質(zhì)量。 這兩種途徑又是相輔相成的， 必須采取材料替換和結(jié)構(gòu)改進(jìn)相結(jié)合的方法， 才可能在保證汽車(chē)整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下， 最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自 1973 年石油危機(jī)以來(lái)， 世界各汽車(chē)廠在汽車(chē)上進(jìn)行的輕量化研究進(jìn)展較為明顯。 目前主要采用的輕量化措施有以下幾種。

（1）使用新材料實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化

 A、使用密度小、 強(qiáng)度高的有色合金材料， 如鎂鋁合金。

 B、使用同密度、 同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼。

 C、 使用塑料聚合物、 陶瓷等非金屬材料。

（2）結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前， 結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化的理論和方法已比較成熟， 形狀優(yōu)化有了很大發(fā)展， 人們已經(jīng)把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向拓?fù)鋬?yōu)化等更高層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化放方法目前有解析方法和數(shù)值方法。 解析方法不大適合工程應(yīng)用， 工程應(yīng)用中常采用數(shù)值方法。連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有 2 個(gè)不同的求解體系， 國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究在于局部應(yīng)力約束下的強(qiáng)度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，而國(guó)外研究主要圍繞全局體積約束下的剛度拓?fù)鋬?yōu)化展開(kāi)。

在汽車(chē)輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中已普遍采用拓?fù)鋬?yōu)化方法.YANG等研究了基于有限元軟件MSC.Nastran 的汽車(chē)車(chē)身、 底盤(pán)、 焊點(diǎn)位置等的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。 Wang 等利用有限元法與拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)汽車(chē)車(chē)身的加強(qiáng)筋部分進(jìn)行了優(yōu)化， 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 在既定成本下汽車(chē)車(chē)身的整體剛度能夠得到充分的提高。

Ferdricson 等對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作了綜述， 重點(diǎn)介紹了車(chē)身設(shè)計(jì)中的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)展。 Eom 等對(duì)車(chē)身焊點(diǎn)配置進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化， 在確保車(chē)身整體剛度要求的情況下， 得到焊點(diǎn)最佳位置， 使得焊點(diǎn)數(shù)量最少。 石琴等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化理論， 先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局優(yōu)化， 以獲得較合理的初始結(jié)構(gòu)方案， 再通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿(mǎn)足其強(qiáng)大和剛度及設(shè)計(jì)工藝要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。 楊樹(shù)凱等用變密度法建立汽車(chē)支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型， 利用有限元法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。 高云凱等把拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論引入某電動(dòng)改裝車(chē)的承載式車(chē)身設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)了多工況、 多狀態(tài)變量條件下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，確定了車(chē)身的最佳結(jié)構(gòu)方案。 陳茹雯等利用基于有限元法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)車(chē)身大骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 經(jīng)優(yōu)化后的各項(xiàng)特性參數(shù)指標(biāo)均有不同程度提高。

可見(jiàn)， 拓?fù)鋬?yōu)化正成為車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段， 更廣泛的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在車(chē)身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被逐漸引入到汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中。 但大多數(shù)的工作主要集中在結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方面。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究分為三個(gè)層次： 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)確定的情況下進(jìn)行的， 因此產(chǎn)生的效果是被限定在布局之內(nèi)。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點(diǎn)是能在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯拢?根據(jù)已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結(jié)構(gòu)形式。因此在工程設(shè)計(jì)的初始階段中非常有意義。它不涉及具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)， 但可以提出最佳形狀設(shè)計(jì)方案。由于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的初始階段即被引入， 所以與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比可以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（ 1 ） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化問(wèn)題的一般模式：

目標(biāo)： min φ a （ p ）；

約束： φ a （ p ） ≤0 ；

設(shè)計(jì)空間： p 1 ≤p s ≤p u

其中， φ 是系統(tǒng)響應(yīng)， 通常為車(chē)身結(jié)構(gòu)總質(zhì)量或總體積。 p 是設(shè)計(jì)變量。

拓?fù)鋬?yōu)化是在一定空間區(qū)域 （骨架結(jié)構(gòu)或連續(xù)體） 內(nèi)尋求材料最合理分布的一種優(yōu)化方法。 它的目標(biāo)是根據(jù)一定的準(zhǔn)則， 在滿(mǎn)足各種約束條件下， 在結(jié)構(gòu)上開(kāi)孔、 打洞， 去除不必要的構(gòu)件和材料 （即結(jié)構(gòu)的構(gòu)建布局和節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的變化）， 使結(jié)構(gòu)在規(guī)定意義上達(dá)到最優(yōu)， 表現(xiàn)為 “最大剛度” 設(shè)計(jì)。 由于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)自由度大， 所以通常用于設(shè)計(jì)初期和概念設(shè)計(jì)階段。

形貌優(yōu)化時(shí)一種形狀最佳化的方法， 它可以用來(lái)設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕， 用來(lái)減輕結(jié)構(gòu)的重量， 同時(shí)又能滿(mǎn)足強(qiáng)度、 頻率等要求。

尺寸優(yōu)化是指通過(guò)改變單元厚度、 截面參數(shù)、 彈性和質(zhì)量屬性， 從而改善結(jié)構(gòu)的特性如降低設(shè)計(jì)重量、 減小應(yīng)力、 提高頻率等。 它是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

（ 2 ） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在客車(chē)車(chē)身輕量化中的應(yīng)用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入拓?fù)鋬?yōu)化、 形貌優(yōu)化、 形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化， 能夠節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間， 縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期， 節(jié)約成本。

如上所述， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)由于其自身的優(yōu)越性， 在汽車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。 一個(gè)典型的大客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)， 如圖 1 所示， 優(yōu)化流程如下。

（1）整體需求 （載荷及設(shè)計(jì)空間條件）。

（2）設(shè)計(jì)空間及載荷確定。

經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化后的整車(chē)骨架結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足剛度和模態(tài)性能的要求， 同時(shí)質(zhì)量得到了顯著的降低， 輕量化效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在不影響零部件的強(qiáng)度和性能的基礎(chǔ)上， 通過(guò)設(shè)計(jì)質(zhì)量輕的產(chǎn)品達(dá)到降低汽車(chē)制造成本的目的。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常分為尺寸優(yōu)化、 形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)類(lèi)型優(yōu)化。 其中尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已經(jīng)比較成熟， 但對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化所起的作用有限。 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)約束、 載荷及優(yōu)化目標(biāo)而尋求材料最佳分配的優(yōu)化方法， 主要應(yīng)用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初級(jí)階段， 是一種概念性設(shè)計(jì)， 對(duì)最終產(chǎn)品的成本和性能有著決定性影響。

隨著車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化的要求越來(lái)越高， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)尤其是拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)必將得到更為廣泛的應(yīng)用和研究。