同济大学汽车轻量化论文

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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

2、保有量的增加，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

3、计也是实现汽车轻 量化的有效途径。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L可用下式表示为L m / （ C A）（1）t式中m为白车身的结构质量（不包括车门和玻璃），C为静态扭转刚度（包 t括玻璃），A为左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积，L为轻量化系数。有关 参量如图 1，汽车轻量化效果反应在 L 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

4、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

5、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、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

6、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

7、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

8、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、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

9、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

10、技术的普遍形式：GOAL: minQ(a(p)s.t : Q(a(p)0(2)p p plu在上面的形式中，Q (a(p)表示车身的总质量，p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。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。

11、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 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

12、2 结构优化三个层次概念及实例实例尺寸和参数优化，如某车的侧壁减薄等优化方法概念拓扑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T.对结构设计3）参数X 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

13、影响，即:S (-j)二rX 泳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。设计变量表 3 轻量化设计参数车门各部件的厚度，变化范围为各部件原始厚度的30%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

14、，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13。2AA3AZ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

15、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

16、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height和width为设计变量，4）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 upandown 和 inandout。目标函数：V (X) = V (height x upandown, width x inandout)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 问题时，通过建立相应的数学模

17、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：5）6）7）求X = x ,x，x t12ngL g (X) gu, j = l,m j jjxl x xu, j = l,.n使得 min f (X) or max f (X)ii i在式（5）中， X 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。

18、 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。模型的 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

19、壳体刚度值的目标。非谡计阳电灘鮒匕也l*甜卜优比囲图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。Cour0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

20、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，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

21、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 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

22、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

23、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 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。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。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。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

24、户界面，适宜的图像处理模块，实现优化过程与成果的可 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

25、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,2009.12 叶盛，辛勇.基于灵敏度及尺寸优化的汽车车门轻量化J.机械设计与研 究,20

26、13,06:112-115+121.13 胡朝辉.面向汽车轻量化设计的关键技术研究D.湖南大学,2010.14 杨真,李东波，沈国民,童一飞.基于Hyperworks形状优化的桥式起重机主梁轻量化设计 J.中国制造业信息化,2012,09:43-45+48.15 Yuji Ogata, Satoru Suzuki and Masami Hiraoka. Development of Topology Optimization Method for Reduction of Transmission Housing WeightC, 2005 SAE World Congress, Paper

27、No. 2005-01-1699.16 COURO K, FRANCOIS J, SCHOENAUER M. Structural Topology Optimization in Linear and Nonlinear Elasticity Using Genetic AlgorithmsJ, American Society of Mechanical Engineers, 1995, 9:385-392.17 李红建，邱少波，林逸，张君媛,刘静岩汽车车身复杂钣金件的拓扑优化设计J.汽车 工程,2003,03:303-306+30218 高云凯 , 孟德建, 姜欣. 电动改装轿车 车身结构拓扑 优化分析 J. 中国机 械工 程,2006,23:2522-252519 高云凯,周晓燕,余海燕. 城市公交客车车身结构拓扑优化设计 J. 公路交通科 技,2010,09:154-158.20 赵丽红，郭鹏飞,孙洪军，宁丽莎.结构拓扑优化设计的发展、现状及展望J.辽宁工 学院学报,2004,01:46-49.