基于等效静态载荷方法的碰撞拓扑优化研究及其软件开发

发布时间：2020-07-24 14:00

【摘要】：近年来,伴随着节能、环保呼声的日益高涨,各汽车厂商都加大了电动汽车的研发投入,都试图在这个关键时期实现从传统燃油车到电动汽车的战略转型。然而,目前市场上在售的电动汽车的车身结构大多是在燃油车车身的基础上小幅修改而来,而并没有结合电动车身真实的承载方式进行设计。显然,电机和发动机在重量以及在整车中的布置形式上均存在较大的差异,这就决定了车身结构重新设计的必要性。概念设计作为车身设计过程中三个最重要的阶段之一,能够最大程度地实现轻量化,同时也可以带来比详细设计和基本设计大得多的经济效益。因此,在车身的概念设计阶段,如果将电动汽车与传统汽车的承载差异考虑其中,那么就可以在保证整车性能的前提下最大限度地降低整车的重量。目前,在进行整车多工况拓扑优化时,更多的只是考虑车身的静态弯曲刚度、扭转刚度以及固有频率等,车身耐撞性作为一个不可或缺的汽车安全性能还有待深入研究。显然,车身耐撞性问题是与时间相关的动态非线性问题,因此,根据现有的优化算法直接对此类问题进行灵敏度分析会带来巨大的计算量。代理模型优化方法简单、通用,但是该方法在很大程度上依赖于采样数量,从而精度得不到保证。混合元胞自动机(Hybrid Cell Automata,HCA)优化方法由于准确性和鲁棒性较差只对小型结构适用,对于大型结构则会出现计算效率低下以及目标函数出现非周期性振荡行为等问题。等效静态载荷方法(Equivalent Static Load Method,ESLM)在解决动态非线性优化问题上求解精度高、收敛速度快,其整个优化过程由动态非线性分析和静态优化两个子过程构成。通过将动态非线性分析得到的位移响应与模型的刚度矩阵相乘,可以计算出每个节点上的等效静态载荷,再将求得的等效静态载荷施加到模型中进行静态优化。最后,根据静态优化结果对模型进行更新,整个动态优化过程在两个子过程中反复迭代,直至满足收敛要求。为了解决动态拓扑优化这个难题,本文基于等效静态载荷方法,利用VB.NET语言开发了一款能够解决动态拓扑优化问题的软件CrashTopologyOptimization(CrashTopt)。整个软件的开发过程从以下两个方面展开:一方面,设计软件开发的流程、整体架构以及操作界面;另一方面,通过编程实现软件的各项功能,包括文件的导入、文件存储格式的转换、模型的修改、刚度矩阵的提取、优化参数的写入、等效静态载荷的计算、模型的更新以及收敛判定,最终完成整个软件的开发。本文以某款SUV白车身为研究对象,综合考虑了正面碰撞、侧面碰撞、追尾以及顶压等工况下的应变能,建立了该SUV车身的拓扑优化模型。优化模型以体积分数为约束,以上述工况下的加权应变能最小(加权刚度最大)为目标。接下来,我们使用自主开发的CrashTopt软件对该白车身结构进行碰撞拓扑优化设计。良好的优化效果表明,CrashTopt软件能够在多个工况条件下对整车车身进行优化设计,具有一定的工程应用价值。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.72;U463.82
【图文】：

流程图,车身设计,流程,燃油车

重量和在整车中的布置形式上。因此，这就导致了电动汽车车身和传统燃油车车载方式上的巨大差异。然而，目前，电动汽车大多还是沿用传统的燃油车车身，是在燃油车车身的基础上进行小幅修改而来，而并没有结合电动汽车车身真实的式来进行设计。显然，沿用传统的燃油车车身必然难以满足车身的刚度要求。概作为车身设计过程中三个最重要的阶段之一，能够最大程度地实现轻量化，同时带来比详细设计和基本设计大得多的经济效益。因此，在车身的概念设计阶段，电动汽车与传统汽车的承载差异考虑其中，而不是仅仅依靠工程师们的经验来设么就可以在保证整车性能的前提下实现轻量化。车身设计的流程如图 1.2 所示，其中，设计的第一步是考虑多个工况条件对整进行拓扑优化设计。然而，目前在对整车车身进行多工况拓扑优化时，还无法将动态工况考虑其中。因此，解决动态优化这个技术难题，并将其应用于电动汽车设计中，具有重要的研究价值。

拓扑优化,车身,汽车零部件,整车

图 1.3 Altair 公司利用拓扑优化技术开发的 SUV 底盘骨架拓扑优化技术不仅可以应用于汽车零部件，对于整车车身也同样适用。Wang拓扑优化和尺寸优化方法得到了更优的材料分布和板件厚度，在降低白车身重提高了白车身的刚度。扶原放等[51]以体积分数、位移及一阶频率为约束条件，况条件下的加权应变能最小为优化目标，对某微型电动车车身结构完成了拓扑，得到了满足性能要求的车身梁骨架结构。谢伦杰等[52]综合考虑了车身结构的性，对某电动车车身结构进行拓扑优化设计，得到了同时满足静态刚度和动态要求的车身拓扑。杨蔚等[53]以整车弯曲刚度和扭转刚度为优化目标，对某微型行优化设计，得到了最优的车身骨架承载形式。在对整车车身进行多工况拓扑究中，大多只考虑了结构的静态刚度，而并没有把碰撞工况考虑进去，这也是耐撞性优化问题目前还没有一个较好的解决方案。车身耐撞性优化问题是一个涉及几何非线性、材料非线性和边界非线性的动力其控制方程可表述如下：

形貌,动态非线性,结构拓扑优化,拓扑优化理论

第 2 章等效静态载荷方法下的动态非线性结构拓扑优化第2章等效静态载荷方法下的动态非线性结构拓扑优化续体拓扑优化理论基础密度法构优化的目的是在给定的设计域内寻求一个最佳的材料分布，在提高材时改善结构的承载性能。从设计变量类型的角度划分，连续体结构优化可个方面：拓扑优化、尺寸优化和形貌优化，分别对应于产品开发过程中的段（概念设计、详细设计、基本设计），其具体对应关系如图 2.1 所示。

【参考文献】