车身复杂钣金件的拓扑优化设计

车身复杂钣金件的拓扑优化设计

【摘要】随着计算机软件分析技术的发展,采用拓扑技术设计钣金件来制造汽车车身已经可以用于实践。本文介绍了拓扑优化设计的理论依据和特点,详细阐述了设计过程。

【关键词】钣金件;拓扑设计

拓扑优化设计在汽车车身上的应用,能够满足约束条件,充分考虑到结构的特性。具体而言,要先利用拓扑优化计算零件材料的最佳分配方案,在弹性力学的理论和实践经验指导下,形成零件的基本结构。最后对零件进行力矩、模态的拓扑分析,形成成品的零件结构。

1 拓扑优化分析

1.1 拓扑优化分析的理论和算法

对汽车车身的钣金件而言,拓扑优化与传统的结构优化明显的区别在于:结构优化的优化变量要以特定的结构尺寸作为参数,优化变量是需要根据实际情况提前设定的。结构优化对于车身钣金件的复杂程度而言,第一,合适的参数提取是一个大困难。第二,结构设计模块技术不过关,限制了结构优化的广泛应用。

拓扑优化则不同,它的设计变量是单元厚度,其设计依据在于“伪厚度”。在优化设计的过程中,单元厚度较小的部位会弱化处理,厚度较大的部位会强化处理,从而实现结构上的优化。

一般情况下,对车身进行拓扑设计时会确定约束函数和目标函数。约束函数是设计人员所提供的,比如体积增大20%、体积减小40%等。目标函数则是在满足约束函数的基础上,尽量减小结构的变形,从而提高结构的自身刚度。多目标函数的提出,能够使约束更加严格。对不同的目标函数进行处理时,通常采用加权处理的方法,会对优化效果产生一定的影响。

1.2 拓扑优化分析的特点

拓扑优化分析的进行,能够让设计人员对产品的结构和特征进行全面了解,从而在总体结构和具体结构的设计上更加具有针对性。在产品设计之初,对零部件的设计仅仅依靠想象力和经验是不够的,应该利用拓扑技术分析约束条件,同时结合设计经验,才能使产品满足技术和工艺条件。

如果产品的形状比较规则,那么就可以对产品的局部结构进行优化。而车身的钣金件一般都比较复杂,多以曲线和曲面呈现,结构参数的设定具有一定的困难。另外,现有的计算方法不能满足结构优化的要求,所以通过参数化设定来进行结构的优化还不能成为现实。

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