汽车轻量化结构设计方法

2020-3-23 08:51 3018 0
简介
汽车轻量化的方法包括“结构轻量化、材料轻量化、工艺轻量化”三个维度。结构轻量化,根据设计变量及优化问题类型的不同,可分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化四种。材料轻量化,是通过汽车材料选型,实现 ...

         【汽车轻量化在线】汽车轻量化的方法包括“结构轻量化、材料轻量化、工艺轻量化”三个维度。结构轻量化,根据设计变量及优化问题类型的不同,可分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化四种。材料轻量化,是通过汽车材料选型,实现多材料混合,在正常结构中的合理分布,实现自重的减低。工艺轻量化,是通过工艺实现材料性能的提升、形状和形貌的优化等,例如差厚板、拼焊板、液压成形等。

今天我们重点科普一下结构轻量化的方法。

1、拓扑优化(Topology Optimization):包括连续体结构拓扑优化和离散体结构拓扑优化,前者是从总成的角度,找到有效载荷传递路径、最佳材料分布,提高整体结构性能和结构设计效率;后者是从零部件的角度,局部拓扑,优化材料布局,如开孔数量、大小、位置等。如下两图,分别是白车身整体的拓扑优化和零部件的拓扑优化。

拓扑优化的方法有变密度法、水平集法、均匀化法、进化式结构优化法、独立连续映射法等,常用的软件是OptiStruct、Genesis等。

2、尺寸优化(Size Optimization):以零部件尺寸参数为设计变量,如板材厚度、截面面积等,寻找最优设计参数的组合。以白车身为例,分析板材厚度、车身截面对碰撞安全与NVH性能的影响,在保证原有结构性能指标的前提下,设计变量包括截面形状和板材厚度。如下两图,分别是白车身整体料厚优化和A柱断面尺寸优化。

尺寸优化的方法主要是灵敏度分析,设计变量可包括弯曲刚度、扭转刚度、模态等,通过确定在设计变量中哪个部分对结构响应最为敏感,进而获得最佳的设计参数和最关心部位的灵敏度系数,再相应的进行减薄和加厚处理。

3、形状优化(Shape Optimization):在不改变现有拓扑模式下,以零部件的几何外形作为设计变量进行优化。如下图,在CAE的应力分析中,找到应力集中点,通过形状优化,起到提升零部件强度的作用。

4、形貌优化(Topography Optimization):以加强筋、凹凸结构的形状、位置和数量等为变量,在不显著增加质量的条件下,改善钣金结构件的刚度及模态等。如下图,开闭件的内板通过形貌优化,在不增加重量的情况下,实现性能的达标。

结构轻量化有以上四种方法,传统的优化流程如下,中间还穿插着不同性能优化设计后的交叉验证。这种流程存在很多缺点,包括周期长、成本高等。

德国一家软件公司推出的SFE Concept是最近比较流行的,对全参数化车身的正向开发设计提出了车身概念设计优化流程。

为了提高效率和准确度,集成优化是解决多个学科性能冲突的主要手段,基于多学科优化设计(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)理论,将材料力学、计算技术、材料学和制造技术集成与一体,建立全新架构“性能-材料-结构”一体化设计方案技术路线,以尽可能高的效率求得整体最优解。以车身为例,多学科优化设计的流程如下。

总之,汽车结构轻量化的最理想状态是“全部要求一次性输入,目标一步到位”,实现最大优化范围和最大优化效益。未来的发展方向包括3D打印、人工智能设计和优化等,都会不断的结构轻量化推向一个更高的维度。


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