裘大志

摘 要 拓扑结构优化是一种数学研究方法，该方法在汽车结构优化设计中的应用十分广泛。拓扑技术通过构造模型的方法，对轻型卡车不合理的外形进行改进，提高卡车的结构强度。本文具体研究了拓扑结构优化方法，对该方法在轻卡车身改进应用中的细节进行了分析。

关键词 轻型卡车 拓扑优化 结构性能

2004年Pedreson将拓扑理念应用在了汽车安全系统中，完成了对汽车功能部件的结构优化。在2005年，A.I.Chande和R.J.Yan利用拓扑软件对车门、车架、曲轴进行了优化改造，进一步扩大了拓扑技术的应用范围。2011年以来，拓扑技术在汽车结构优化中的应用越来越广泛，使轻型卡车车身的结构功能越来越合理。

一、拓扑优化技术的基本原理

拓扑原理主要是为了寻求区域中的最优解，使汽车结构能够达到最合理状态。常用的拓扑结构研究方法有厚度变化方法、密度变化法、均匀变化法三种。拓扑研究数据具有连续性，该方法最早应用于水利工程中的堤坝重力优化问题。

研究区域是由很多孔洞微单元组成，在结构优化过程中，微单元的孔洞大小会发生变化。如果某研究区域的微单元全部变成孔洞，那么整个研究区域就会出现一个大孔洞；如果研究区域的微单元全部消失，那么研究区域就会变成一个实体结构。初始材料在结构上实现了重新分配，形成了新的结构模式，该条件下的拓扑结构就是最优拓扑结构。

二、拓扑理论在轻型卡车车身优化中的应用

1、轻卡车身的拓扑优化有限元模型

首先应该建立轻卡车身的结构模型，要根据模型中的具体参数，进行拓扑结构优化。在建立拓扑优化有限模型的时候，应该多考虑轻卡车身的实际情况，留出车身、车窗和车门的空间。由于车身的材料都是钢制的，在进行拓扑优化的时候，应该多分析车身不同区域的密度变化状况。拓扑优化的有限元结构模型如图1所示：

2、轻卡车身拓扑的优化实现

（1）车身在弯曲情况下的负载约束。为了反映出车身在负载情況下的实际受力情况，假设司机、乘员和座椅的总重量为300kg，然后再往座椅位置上增加1500N的重物。拓扑模型全都是以壳状结构为主，由于没有强筋支撑，如果重物负载的位置靠近驾驶室中央，就会导致结构模板塌陷，使拓扑计算难以进行。通常会将负载的位置放在座椅直线的四周、驾驶室的四角上，以减少重物对中心的负载压力。以驾驶室的4个对角为研究对象，建立拓扑研究模型。

（2）车身在扭转情况下的负载约束。在车身模型的前端选择2个竖直向上的支撑点，用大小相等、方向相反的两个力作用支撑点，观察此时车身的受力扭转情况，作用力的大小为1000N，如果观察效果不明显，还可以继续增加作用力。以车身前端受力点为研究对象，建立拓扑研究模型，如图2所示：

对这两种状况下的车身变化情况进行分析，会发现弯曲挠度为0.6mm，其中扭转状况下车身的最大变形为3mm，弯曲状况和扭转状况的变形云图。

本次拓扑优化是研究车身在弯曲、扭转状况下的变形情况，在车身刚度确定的情况下，通过使车身体积最小化，确定加强筋的合理位置。拓扑问题主要是研究弯曲、扭转状态下的车身位移。对车身的形变量进行计算后，就会探索出车身空间结构的内部密度分布状况。

在每次拓扑优化的时候，应该先进行一次迭代，根据数据的收敛状况绘出拓扑模型的形状。拓扑的位移约束不能比初次计算相差太多，选取初始计算80%的位移，这时候得到的优化结果最好，收敛时间最短；将拓扑目标设置为最小化，对最小化的模型进行空间拓扑优化，就可以得到车身的密度的分布规律。

3、对轻卡车身结构的优化结果

运用Optsruct软件对轻卡车身进行拓扑优化，从最终的拓扑优化结果可以看出，车身顶部逐渐形成“人”字形，底部模板变成了“X”字形。拓扑优化科学合理，在实际生产生活中应用十分广泛。地板的拓扑线条朝着两侧和负载线聚集，拓扑形状和车身结构强筋位置一致。

三、结束语

在对汽车结构进行优化之前，应该先为汽车建立拓扑模型，通过将拓扑理论、拓扑优化方法运用在汽车模型中，能够简化汽车的外形设计。拓扑优化理念早在20世纪60年代就被提了出来。在20世纪80年代，拓扑技术主要用于飞机外形设计领域。利用拓扑技术对轻卡车身的弯曲状态、扭转状态进行形变位移研究，在最终拓扑优化结构中可以发现：弯曲状态下的车身拓线条和结构强筋位置相同，而扭转状态下的拓扑形状则呈现“人”字行、“X”字形。

参考文献：

[1]李学修，黄虎.拓扑优化技术方法在轻卡车身结构改进中的应用[J].上海工程技术大学学报，2011（03）

[2]刘长虹.拓扑技术在车身结构优化中的应用[J].科技创新导报，2012（10）

（作者单位：沈阳金杯车辆制造有限公司）