新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计研究

新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计研究

摘要随着科学技术的不断进步，新能源汽车凭借高能效、低污染的优势成为汽车行业发展的新潮流。但是很多新能源汽车只更换了动力系统，却依旧沿用传统汽车的车身结构，然而使用电动机替换发动机且增加蓄电池的使用就一定会导致车身载荷发生变化，从而使得新能源汽车和传统汽车在结构设计上有很大不同，这就要求必须要改变车身结构设计。此外，新能源汽车的动力系统被大大简化，这也为车身结构轻量化提供了更大的可能。所以，加强新能源汽车白车身结构和尺寸优化成为汽车行业的重要研究方向，而结构拓扑技术成为实现上述设想的重要技术。

关键词新能源汽车；结构拓扑；尺寸优化

随着社会经济的快速发展，汽车数量在迅速增加，由燃油汽车造成的环境问题和能源问题成为人们面临的重要问题。作为一种新型的绿色交通工具，新能源汽车凭借其能效高、噪音低、污染少等优势成为世界各国关注的热点。当前阶段，对整车结构的拓扑优化相关研究较少，应用于新能源汽车整个车身设计的研究成果更是缺乏。在汽车整车概念设计过程中，如果能够依据新能源汽车的特征有针对性的对白车身结构进行设计，就能够在很大程度上提升材料利用率，更好地实现轻量化设计。

1 结构拓扑优化方法

随着学者们的不但探究，现在的拓扑优化技术已经日渐成熟，结构拓扑优化方法主要包括均匀化方法、水平集法及变密度法等，且从这些方法中又演变出很多新形式。

1.1 均匀化方法

在连续体结构拓扑优化的众多方法中，均匀化方法是使用最广泛的方法，这种方法的基本思想是把拓扑结构材料划分成众多单胞微结构，确保单胞的尺寸、形状参数和材料的弹性模型密度呈现出线性关系，这样单胞尺寸的变化就决定了微结构的有无。通过对形状参数的优化，可以影响设计区域的密度分布情况，从而最大程度提升结构拓扑优化和尺寸优化的性能。

对均匀化方法的研究成果主要分为理论研究、实际应用两个方面，其中理论研究更多在微结构模型中应用，而实际应用更多的应用在均匀化模型中[1]。微型结构模型的理论研究侧重于对方形结构掏空、挖洞的理论探究，均匀化模型实际应用则主要是指对三维连续问题、多工况二维平面问题等的探究。

1.2 变密度法

在连续体结构拓扑优化中，变密度法也是十分常见的一种方法，它是材料描

述方式方法中的一种。这种方法是把密度和材料的属性相联系，从而形成线性的对应关系。因为此方法无须引入细胞微结构，此外在求解过程中也无须对过程进行均匀化处理，就能够有效规避均匀化方法的缺陷[2]。变密度法假设各个单元的材料具有相同的密度结构，并且材料的密度在0-1之间，确定材料弹性模量和单元相对密度的对应关系，从而简化优化程序编写过程，提升优化过程的收敛速度，提高计算效率。

变密度法主要包括固体各项同性惩罚微型结构模型-SIMP和合理近似材料属性模型-RAMP两种结构模型。SIMP插值模型是一种被广泛应用的密度插值模型。RAMP能够通过承接因子惩罚模型结构中的中间密度值，从而使得惩罚因子的大小发生改变，这样中间密度值就逐渐趋向0或者1，0说明单元内没有材料存在，1则说明单元内是有材料存在的。这种情况下，连续变量的拓扑模型就能够近似看作0-1离散变量模型了。

1.3 水平集法

水平集法在构建标数法向速度的基础上，依据法向速度来驱动优化区域材料发生边界运动，从而导致结构边界的拓扑及几何形状出现变化，使得拓扑结构边界变得光滑同时密度趋于0-1型，不存在中间密度。水平集法最初在界面传播等研究领域中得以应用，后来应用范围变得越来越广泛，主要包括获取多向流体的动力学运动、界面形状和法向方向处理图像、查找运动体、结构拓扑优化设计等各个方面。

1.4 渐近结构优化法

渐近结构优化法是最近几年逐渐兴起的一种新型的算法，其效率非常高。渐近结构优化法的基本思想是逐步去除无用的材料，确保最后留下来的材料均为有用材料。渐近结构优化法更加容易与当前的各种分析软件进行结合，同时迭代更加方便简单，收敛也更加迅速。

2 尺寸优化设计

新能源汽车尺寸的优化，主要通过改变一维梁单元的截面尺寸和二维板单元的厚度来优化结构件的截面尺寸使之满足汽车驾驶性能的相关要求。在新能源汽车尺寸优化的过程中，结构件的形状和拓扑结构并不发生改变，在保证汽车性能的基础上达到轻量化的目的。

2.1 一维梁单元的截面尺寸

新能源汽车尺寸的优化的首要方面是对一维梁元的截面尺寸进行优化，通过不断的改进一维梁单元结构达到尺寸优化的目的。梁单元的结构经过早期的桁架结构，经过逐代的改进，目前已发展成为工业上的钢梁构造，其对汽车尺寸的优化已有固定的方案。既在给定的外形、布局和单元类型的前提下，以截面尺寸为可变量，寻找刚性最大，或者重量最小，或者节点较少的方案，在优化性能基础

上寻找轻量化方案，从而降低成本，提高汽车质量。

2.2 二维板单元的厚度

在汽车尺寸优化的过程中，不仅要通过改变截面的尺寸，以达到优化体积的目的，更要通过优化二维板单元的厚度，以达到优化汽车质量的目的[3]。在优化二维板单元的厚度时可以通过敏度分析和合理数学算法，在保证刚性与安全性的基础上，合理选择复合材料中的材料铺层方向和厚度。综合考虑汽车的应力情况、节点位移情况和加速应变情况，优化新能源汽车自身的拓扑结构，加强关键节点强度，优化新能源汽车尺寸设计，从而达到减轻汽车重量，优化汽车性能的目的。

3 结束语

随着人们生活水平的不断提升，汽车數量越来越多，由此带来的能源问题和环境问题成为我国面临的重要问题，为了有效解决这一问题，世界各国都开始重视对新能源的开发和研究。由于新能源汽车具有不同于常规能源汽车的动力系统和储能系统，其载荷位置也具有很大区别，如果依旧沿用常规能源汽车的设计方法就会出现各种问题。所以，对新能源汽车白车身进行拓扑优化和尺寸优化就显得尤为重要。只有这样才能提升汽车车身的合理性、确保刚度要求的同时，实现车身结构的轻量化，促进新能源汽车行业的健康发展。

参考文献

[1] 陆波，刘波，陈海波，等.基于刚度的铝合金汽车前罩轻量化结构设计及分析[J].机械科学与技术，2015，（7）：1109-1113.

[2] 何德禄，任立飞，王建启，等.汽车轻量化技术发展方向[J].卷宗，2015，（4）：315-315，316.

[3] 张伟，侯文彬，胡平.基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计[J].湖南大学学报（自然科学版），2014，（10）：42-48.