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1、2007年8月机床与液压Aug12007第35卷第8期MACHINETOOL&HYDRAULICSVol135No183拓扑优化技术及其在汽车设计中的应用葛文杰,黄杰,杨方(西北工业大学机电学院,西安710072)摘要:论述了拓扑优化技术的一般步骤及其关键技术,通过大量实例论述了拓扑优化技术在国外汽车工业领域的应用现状,包括整车结构设计、车身覆盖件设计以及局部零件的铸造、锻造设计,最后给出了使用这一技术进行汽车设计的主要困难与挑战。关键词:拓扑优化;汽车设计;有限元中图分类号:O189文献标识码:A文章编号:1001-3881(2007)8-011-4TopologyO
2、ptimizationTechnologyanditsUtilityinAutomotiveIndustryGEWenjie,HUANGJie,YANGFang(CollegeofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicTechnique,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)Abstract:Thebasicprocessesandkeytechnologiesoftopologyoptimizationwerepresented1Itsapplicatio
3、nsintheoverseaauto2motiveindustriesincludingthedesignofbodyinwhite,thedesignofpanels,thedesignofforgingandcasting,weregiven1Thechal2lengesofutilizingthistechnologywereconcluded1Keywords:Topologyoptimization;Automotivedesign;Finiteelementmethod0前言Bendsoe以及Kikuchi提出了均匀化方法之后才得到[10]随着汽车工业的飞速
4、发展及日益突出的能源问了快速的发展。拓扑优化在其发展过程中一直受题,汽车工业面临的挑战以及竞争环境也越来越激到以下关键技术的制约。烈,对汽车产品提出了降低其制造成本及燃油经济性111设计区域离散模型的新要求。传统的尺寸、形状优化等设计方法在对产拓扑优化中比较常用的设计区域离散模型主要有品整体性能与质量的提高上显得越来越力不从心。拓[11]均匀化法和变密度法2种密度插值模型。Bendsoe扑优化技术彻底改变了传统设计方法的不足,使得汽和Kikuchi于1988年提出的均匀化方法的基本思想是车设计能够从概念设计阶段开始就借助计算机进行模在组成拓扑结构的材料中引入微结构,通过
5、微结构的拟,降低了设计成本,以及样车试验的费用,同时从几何参数作为设计变量,以微结构的增删实现结构拓整体上提高了汽车产品的性能。国外汽车工业从20[1]扑形状的改变,实现了拓扑优化与尺寸优化的统一。世纪90年代初就已经开始了这方面的研究,至今但是均匀化方法因其设计变量多(是变密度法的3已经得到了比较广泛的应用,应用范围从公共汽[2][3]倍),计算复杂性逐渐被变密度法所替代,比如Opti2车、轿车到货车,几乎涵盖了所有现有车型。大[4][5][3]多数的国外汽车企业如宝马、丰田、奥迪、福struct早期的版本就是采用均匀化方法,到目前为止[6]特等企业均不同程度地采用了
6、拓扑优化技术进行该软件已经完全采用变密度法了。变密度法是受均匀汽车的整体及局部设计,而国内汽车企业只有极少数化方法的启发而产生的,把在材料中引入微结构代之[7-8]企业在局部构件的设计上应用了该技术。鉴于以密度在0～1之间变化的假想材料,把密度作为设此,本文在介绍拓扑优化技术的一般步骤及相应关键计变量,从而实现材料的增删,因其模型简单、计算技术的基础上使用大量实例对国外汽车企业使用这一变量相对较少成为目前广泛采用的方法。根据不同的技术的案例进行综述,从而为国内同行提供一定的参[11]插值模式,变密度法又有不同的插值模型:SIMP考。(SolidIsotropicMate
7、rialwithPenalization)法、Voigt1拓扑优化的关键技术法、Hashin2Shtrikman法、Reus2Voigt法以及RAMP拓扑优化技术本质上就是一种在给定外界条件以法。及功能要求条件下决定一定设计区域上材料分布情况[12]112优化算法的新型设计方法,是有限元方法与优化方法相结合的产物。拓扑优化的理论研究最早可以追溯到Michel优化准则法(OC)和移动渐近线法(MMA)是[9]拓扑优化中的两种最常用的方法。由于拓扑优化问题提出的桁架理论。连续体结构拓扑优化因为模型描述以及数值计算的困难,发展一直非常缓慢,直到
