同济大学汽车轻量化论文

1、结构优化在汽车轻量化中的应用综述 摘 要：首先论述了汽车轻量化的意义、技术内涵、物理意义、发展现状和方法；接着介绍了高强钢、有色合金材料、塑料和复合材料等轻质材料在汽车轻量化中的作用；然后对尺寸优化、形状优化和拓扑优化三种结构优化方法的概念、数学模型、国内外发展现状加以阐述，并结合实例进行说明；最后提出了结构优化方法的结合使用、理论创新推动拓扑优化展望，以期推动汽车轻量化的发展。关键词：汽车轻量化；轻质材料；结构优化；拓扑优化0 前言2013年中国汽车产销双双超过2000万辆，增速大幅提升，并且再次刷新全球记录，已连续五年蝉联全球第一。汽车工业已成为中国的支柱产业。随着汽车产量和保有量的增加，

2、汽车在给人们的出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。针对三大问题，各国政府制定了如油耗法规、安全法规以及排放法规等条令法规。各国汽车工业界一致认为，汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法1-4。1 汽车轻量化技术及其发展现状1.1 汽车轻量化技术汽车轻量化的技术内涵是：采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效

3、途径。1.2 汽车轻量化的物理意义汽车轻量化设计应包括质量减轻和功能的完善和改进，为表征白车身的轻量化的效果，宝马汽车公司提出了轻量化系数的概念，该系数可用下式表示5为 （1）式中为白车身的结构质量（不包括车门和玻璃），为静态扭转刚度（包括玻璃），为左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积，为轻量化系数。有关参量如图1，汽车轻量化效果反应在值上为下降。图1 白车身轻量化系数的相关参量示意图1.3 轻量化技术的发展现状目前，国内汽车轻量化材料正在加速发展，新型智能材料逐渐在汽车制造中得到应用。车用高强度钢板、镁合金已在汽车上有所应用，如ULSABAVC项目中，车辆结构件几乎100%使用高强度钢6，可使

4、汽车重量大大减轻，并增加了设计的自由度。上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金，随着镁合金材料的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善，自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱有铝改为镁，则可减轻30%左右。2 轻质材料的应用据统计，汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65% 以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位，因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案7：（1）使用密度小、强度高的轻质材料, 如镁铝合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；（2）使用同密度、

5、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；（3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。2.1 高强钢高强钢是一种广泛应用的轻量化材料，高强钢最大的优势是：提高材料的强度，在所要求的性能不变或略有提高的前提下，减薄板材构件的厚度，因而减轻构件的质量。减薄和高强是先进高强钢在减重和安全方面的优势，但也对冲压成形工艺提出了新的挑战。减薄和高强对冲压工艺而言是恶化成形性的双重因素， 不仅使车身零件在成形过程中易开裂，而且易产生过量回弹，冲压件的回弹常用U 型槽的拉伸试验来测定。相对于软钢和传统高强钢，先进高强钢的回弹更大， 特别是当钢板

6、原始强度大于1000MPa时，传统的冷冲压方法就难以生产结构、形状相对复杂的车身零件，这就需要热冲压技术8。目前我国高强钢应用于汽车零部件中的情况如表1所示。表1 高强钢的应用及作用用高强钢所制造的零件希望的零件性能保险杠、加强板、门防冲柱、边梁加强筋高压溃强度、高吸能发动机盖板、门外板、行李箱盖板高压痕抗力车身边梁、横梁高模量边梁、车轮疲劳强度2.2 有色合金材料铝具有良好的机械性能，其密度只有钢铁的1/3，机械加工性能比铁高4.5倍,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，其

7、比重只有1.8/3，是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成汽车减轻自重，是提高其节能性和环保性的首选材料。镁合金在汽车中使用主要具有以下优势9：（1）常用金属中最轻的金属（2）比强度高（3）对振动、冲击的吸收性能好（4）易于机械加工（5）抗凹陷性能好（6）良好的焊接和铸造性能（7）易于回收再生但其铸造性差, 后处理工艺复杂, 成本高。2.3 塑料和复合材料塑料的应用同时满足降低整车重量和成本两方面的需求，因此是汽车使用的最多的非金属材料，相关技术也比较成熟。塑料具有比重小、耐腐蚀、隔音隔热、比强度高、吸收冲击能量、成本低、易加工、装饰效果好等诸多优点，不仅能减重降成本，而且对整车的安全性

8、、舒适性和外观都有利10。塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小，成型性好，耐腐蚀，防振，隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。复合材料即纤维增强塑料，是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。2.4 其他轻量化材料精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。其发展史只有20年左右，但具有优良的力学性能(高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等)和化学性能(耐热冲击、耐氧化、蠕变等)。作为轻量化材料用于汽车零件，不仅直接起到轻量化的作用，更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性。3 结构轻量化设计与优化目前在三种汽车轻量化的途径中，新材料的研究与结构设计和分析与发展最为迅速，但新

9、材料的研究存在开发周期长，技术要求高，开发成本高等缺点，制约了其在汽车轻量化中的普及。相对而言，汽车结构的优化应用最广泛，技术发展最成熟，也是汽车轻量化最有效的途径。结构优化根据设计变量类型的不同划分为3个层次：尺寸优化、形状优化和拓扑优化11。表2为结构优化三个层次概念及实例。现阶段，尺寸优化和形状优化的技术和理论体系已经很完善，使得拓扑优化或更深层次的结构优化成为了本行业研究者研究的重点和热点领域。优化技术的普遍形式： （2）在上面的形式中，表示车身的总质量，代表设计变量。目前连续体结构拓扑优化方法主要有以下三种。第一种是均匀化方法，是连续体结构拓扑优化中应用最广的方法, 属材料描述方式。

10、其基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构( 单胞) , 微结构的形式和尺寸参数, 决定了宏观材料在此点处的弹性性质和密度, 优化过程中以微结构的单胞尺寸为拓扑设计变量, 以单胞尺寸的消长实现微结构的增删, 并产生由中间尺寸单胞构成的复合材料, 以拓展设计空间, 实现结构拓扑优化模型与尺寸优化模型的统一和连续化。第二种是变厚度法，是较早采用的拓扑优化方法, 属几何描述方式。其基本思想是以基结构中单元厚度为拓扑设计变量, 将连续体拓扑优化问题转化为广义尺寸优化问题, 通过删除厚度为尺寸下限的单元实现结构拓扑的变更。该方法突出的特点是简单, 适用于平面结构( 如膜、板、壳等) , 推广到三维问题有一

11、定的难度。第三种是变密度法，是一种常用的拓扑优化方法, 属材料( 物理) 描述方式。其基本思想是人为地引入一种假想的密度可变的材料, 材料物理参数( 如许用应力, 弹性模量)与材料密度间的关系也是人为假定的。优化时以材料密度为拓扑设计变量, 这样结构拓扑优化问题被转换为材料的最优分布问题。表2 结构优化三个层次概念及实例优化方法概念实例尺寸优化尺寸和参数优化，如某车的侧壁减薄等形状优化直接给予有限元网络优化产品的位置和几何形状，如侧围下裙边形状优化拓扑优化在给定的设计空间内找到最优的材料分布，如乘员座椅及固定支架结构优化3.1 尺寸优化尺寸优化是一种比较简单和直接的轻量化优化方法，在优化设计中

12、将结构的尺寸参数作为设计变量。在尺寸优化前，需要对结构进行灵敏度分析，以确定结构性能参数的变化对于结构设计参数的变化的敏感性。结构灵敏度是指所关注的结构性能指标对某些结构参数的变化梯度，它是分析结构性能参数对结构设计参数变化的敏感性12，其数值可以反映结构设计变量对结构性能的影响，即: （3）2013年南昌大学叶盛以某国产小车前车门为例，采用灵敏度分析方法，分析得到不同部件对车门的下沉刚度、扭转刚度和一阶模态频率的响应灵敏度。参与分析的车门主要部件如图2所示。图2 参与分析的车门主要部件序号在保证车门刚度和一阶自由模态频率不降低的前提下，对车门各零部件的厚度进行优化，从而实现车门的轻量化。在车

13、门轻量化设计模型中，确定了设计变量、约束条件和目标函数。如表3所示。表3 轻量化设计参数设计变量车门各部件的厚度，变化范围为各部件原始厚度的约束条件车门垂直刚度车门侧向刚度一阶模态约束目标函数车门质量最小除了对汽车零部件进行轻量化设计，很多学者还从整车角度进行轻量化设计。2010年湖南大学胡朝辉在尺寸优化方面，提出了在汽车开发早期(概念设计阶段)对车身的总体总布置参数(车身总长、总宽、总高)进行优化的轻量化设计方法，既追求了车内空间的最大化，又实现了新车型轻量化设计；将整车长、宽、高作为控制参数,结合部分关键零件厚度优化,在新车型设计时，能够以最低成本取得最好的轻量化效果及内部空间的最大化要求

14、13。图3 整车加长加宽加高示意图在实例验证中，以某款改型车的轻量化设计作为算例，将白车身的一阶扭转模态及白车身强度要求作为约束性能参数。通过对关键零件厚度的增加，实现其他零件不需要增厚就可以使整体尺寸上增加的新车型NVH/强度性能合格的目的，从而使得新车型达到总体上的轻量化效果。尺寸优化前后对比如图4所示。图4 原车型与尺寸优化后车型对比然而，尺寸优化也有它的局限性。例如，对经验丰富的工程师所设计的结构，仅仅通过修改结构单元的尺寸是很难对原结构进行较大改进的。更为重要的是，尺寸优化不能改变原结构的形状和拓扑结构，不能保证由这种方法得到的设计是真正意义上的最优设计。3.2 形状优化形状优化是设

15、计人员对模型有了一定的形状设计思路后所进行的一种细节设计，通过改变模型的某些形状参数后达到改变模型的力学性能的目的，以满足某些具体要求。南京理工大学的杨真通过Hypermoph 实现有限元模型的网格变形，建立形状设计变量，定义结构优化相关响应、约束和目标，来进行形状优化的求解14。图5 预测形状变化研究以体积分数最小为目标函数，以形状变化和为设计变量，应力、应变能、模态为约束条件，建立优化数学模型如下。预设2个形状变化和。目标函数： （4）然后利用hyperworks形状优化功能，实现了桥式起重机结构轻量化设计。3.3 拓扑优化结构拓扑优化就是寻求材料在空间的最佳分布。利用拓扑优化解决实际工程

16、问题时，通过建立相应的数学模型把实际的工程问题转化为数学中求最优解的问题，然后利用适当的优化算法求解来解决工程问题。对于结构拓扑优化这类优化问题，我们需要考虑设计变量、约束条件以及目标函数等问题，其数学模型可以表示如下：求 （5）需满足 （6）使得 （7）在式（5）中，是设计变量，即在优化设计中需要优化的变量，如结构的截面尺寸、长度、厚度等，也可以是结构中所用材料的材料参数，如弹性模量、泊松比等。式（6）为求解的约束条件，反映优化设计中应该遵循的规范与要求。约束条件一般分为约束方程和常量约束。式（7）是优化设计的目标，代表优化设计中最被关注的指标。拓扑优化的算法流程图如下图所示。开始拓扑优化建

17、立基本模型设置工况定义设计空间、目标和约束拓扑优化计算结果分析分析原因重新设置分析原因得到最优结果结果分析NY模型的原因设置的原因图6 拓扑优化算法流程图拓扑优化法在汽车车身轻量化方面已得到较为广泛的应用。目前，国外学者在该方面的主要研究成果由以下几个方面：在以有限元软件为基础的汽车车身、焊接点、底盘等相关位置的拓扑优化。优化设计之后，可以在很大程度上提高汽车车身的整体强度。如2005年Yuji Ogata等人提出了一种用于轻质、高刚度的汽车变速器的拓扑优化方法15。该方法采用了双层结构网络，使得拓扑优化计算可以同时用于变速器外壳和密封结构。在实现轻量化的同时还能同时满足变速器壳体刚度值的目标

18、。图7 双层结构网络优化 图8 原始设计与拓扑优化设计对比对拓扑优化技术进行深入研究和相关改进，并将拓扑优化技术的理论创新作为研究工作的重点。Couro等人运用生物学理念，使用基因和蚁群算法对拓扑优化的算法进行了改进，优化了金属平板的结构。该算法可以归结为：将生物进化的过程进行数学描述和抽象，在此基础上结合相应的优化问题，建立模型和集成算法，最后通过编写代码并通过计算机，实现优化问题自动求解。尽管 Couro 没有将此方法应用到汽车结构轻量化当中，但是他的理念却为以后轻量化的研究人员给予了重要的参考16。以上是国外拓扑优化研究的现状，可见国外对于这一块的研究还是比较早。国内相对于国外要晚几十年

19、，在工程中的运用也开始增多。国内的学者在该方面研究的成果则主要体现在以下三点：将拓扑优化的相关理论知识应用到结构设计的起始阶段，首先对结构进行布局上的优化，从而得到科学的初始结构。如2002年，一汽技术中心的李红建等人，在“汽车车身复杂钣金件的拓扑优化设计”一文中17，结合零件的造型、约束、受力和模态等特点，对汽车车身复杂钣金件进行了拓扑分析和设计。利用激光模态分析仪对实物进行了模态测量，分析结果和测量结果基本一致。从而验证了拓扑优化方法可以用于复杂钣金件的设计，并可以获得最佳的结构和力学特性。图9 初始设计方案A和拓扑优化方案B在电动改装车身设计过程中充分运用拓扑优化进行轻量化设计。如同济大

20、学高云凯等人在电动改装车的设计18中，将拓扑优化方法运用到该车的车身结构设计中：首先应用有限元软件建立改装轿车车身的优化空间，随后以多个载荷工况和参数作为状态变量，通过节点密度法计算得到了最优化车身结构。对得到的优化结果进行可制造化处理得到新的结构几何模型；对新结构的强度、刚度和振动模态进行了分析，获得了最终车身结构。优化后车身壳体一阶扭转和竖直一弯模态频率分别比优化前提高了约27%和8%。图10 拓扑优化前后下车身模型利用有限元法对车身骨架进行合理优化，使其各项有关性能都有所增加。同济大学高云凯等人根据某城市公交客车初步确定的造型和总布置的要求, 为了能在车身的概念设计阶段获得该客车车身骨架

21、的合理布置方案, 在车身结构设计中引入了拓扑优化的设计方法, 并且将该优化结果应用于指导设计19。目标函数是使整车结构的柔度最小，约束位置是钢板弹簧位置，优化方法为变密度法。拓扑空间见图11，约束位置见图12。拓扑优化过程中队牛腿、底架、左右侧围、顶盖等进行了优化设计，满足了一般城市公交客车的实际装配和功能要求。图11 客车车身拓扑空间图12 约束条件由此可见，拓扑优化正逐渐成为车身轻量化设计过程中进行结构优化的主要方法。4 展望4.1 结构优化方法的结合使用在三种不同层次的优化方法中，尺寸优化是最直观的一种优化方法。而拓扑优化可以确定材料在空间的最佳分布，因此结合尺寸优化和拓扑优化进行轻量化

22、设计可以很好地发挥两者的优势。所以在以后的结构优化中，结合多个层次的优化方法进行优化的情况将会越来越多。4.2 拓扑优化的未来Ø 在模型构造上寻求新的途径。结合工程具体问题进行拓扑优化设计的研究, 使之更接近于实际20。Ø 可靠性的优化。结构的可靠性正日益成为现代结构设计的重要指标, 基于可靠性的拓扑优化设计应该是将来的一个研究方向。Ø 平行算法。结构优化的巨大计算量, 要求更快的计算机处理速度, 平行处理是提高计算机处理速度的重要技术。Ø 软件开发。研发一批直接面向实际问题的专用的结构优化软件，软件应具有友好的用户界面，适宜的图像处理模块，实现优化过程

23、与成果的可视化。参考文献：1 马鸣图,柏建仁. 汽车轻量化材料及相关技术的研究进展J.新材料产业,2006,6: 37- 42.2 马鸣图,吴宝榕. 双相钢物理和力学冶金M.第二版.北京:冶金工业出版社,20093 马鸣图. 先进汽车用钢M.北京:化学工业出版社,2008.4 Bruno Ludke,Markus Pfestor.f. 轻型车身的功能材料,汽车用铌微合金化钢板M.北京:冶金工业出版社,2006.5 马鸣图,路洪洲,李志刚. 论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法J.汽车工程,2009,05:403-406+439.6 朱文英. 汽车轻量化与高强度钢板的开发进展J.上海金属,2003,04:11-15.7 鲁春艳. 汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径J.上海汽车,2007,06:28-31.8 李扬,刘汉武,杜云慧,张鹏. 汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向J.材料导报,2011,13:101-104+109.9 宋珂. 镁合金在汽车轻量化中的应用发展J. 机械研究与应用,2007,01:14-16.10 朱宏敏. 汽车轻量化关键技术的应用及发展J.应用能源技术,2009,02:10-12+34.11 卢利平. 载货汽车车架拓扑优化设计及有限元分析D.合肥工业大学,