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【摘 要】针对于车辆工程当中不同部件结构的实际特点，本文介绍了结构拓扑优化设计的一般流程，主要报告了代表性较强的相关软件发展与实际情况，其中就包括优化过程中各项有限元分析模型数据分析、分析计算等等类型。经过实证验证，结构拓扑优化属于一种有效的优化方式，能够为机械结构以及零部件的轻量化设计提供重要的概念化设计参考，这对于今后的结构优化技术发展方向有着非常重要的作用和意义。
【关键词】车辆;CAE;拓扑;结构优化
结构优化属于一门较为复杂的优化理论，其结构优化模型或者优化层次可以分为三种形式。首先是尺寸优化问题、形状优化问题及材料选择、拓扑优化问题。而其中拓扑优化问题又被成为布局优化问题，重要性在于能够在概念阶段实现对拓扑结构的重新选择，通常在开发新型产品的效率上能够有最大的效率。
1.拓扑优化在车辆工程中的应用发展及现状
拓扑结构优化在汽车行业当中的应用问题，国外对于这方面的研究比较早，从上个世纪九十年代就已经开始，比如说瑞典沃尔沃汽车公司就运用灵活铰链联接的框架结构模型对于有关框架拓扑优化中联合惩罚与材料选择问题进行了研究。在这一项目的研究过程中，引入了两组设计变量，目的在于能够找到满足刚度要求前提下最具轻量化的设计方案。在这一过程中，提出了向典型框架拓扑优化的两方面眼神，也就是结构铰链惩罚以及材料查补策略[1][2]。
而国内对于这方面的研究则是二十年之内开展的，尤其是在近几年发展的过程中，这项研究逐渐活跃。比如说本田汽车公司就将有限元分析与结构拓扑进行了结合，根据汽车车架结构受力特性以及整体材料性能要求，提出了优化数据血腥的目的，构建了应力约束下的车架拓扑优化准则，同时也对车架进行了仿真设计，得出了合理的结果。而同济大学的高云凯等人则是将拓扑结构优化设计理论引入到了电动改装车的承载优化方面，使用先进的有限元分析软件，在电动改装轿车车身结构拓扑优化分析当中实现了多任务况、多状态变量条件下的拓扑优化设计，明确了下车身的最佳结构方案。
2.拓扑优化特点及流程
2.1拓扑优化特点
车辆产品研发流程一般来说分为四个步骤。首先需要进行概念设计，其次则是需要进行详细的设计，再次则是需要进行产品定型阶段，最后则是需要进行批量生产之后的结构改进设计。国内外学者针对于这方面已经进行了大量的研究以及探索，最终得出，影响了车身概念开发的关键因素包括两方面。首先就是实现不同设计方案所需要分析模型的快速构造以及对尺寸的编辑修改，其次则是快速实现多个方案的性能比较和结构优化设计。在概念开发阶段，就可以着手进行结构的拓扑优化工作，从而减少开发过程中的设计反复现象，缩短整体开发周期，让产品竞争力得到增长。而想要达到这一要求，需要尽量使用有限的信息来建立简化的模型，作为分析的关键基础，主要的目的就是希望可以反映出产品的静态状态以及动态要求，主要的用途也是用作为设计方案的评估以及优选。随着设计阶段的逐渐深入话发展，计算机辅助设计模型以及细化程度在这一过程中不断的增加与提升[3][4]。
2.2一般流程
拓扑结构优化一般来说实在一定空间领域当中寻找材料最合理分布的迭代过程，主要的目的就是在满足体积约束条件方面的同时，还能够将结构的柔性降到最低。使用专业的三维软件进行建模之后，数据输入的准则包括：如果有相关接口，那么需要选择这一接口来作为模型输入端。在读入数据之前还需要将数據进行处理与转化，随后配合拓扑优化模块，进行拓扑优化分析。但是由于很多软件对于大型、复杂结构的拓扑结构设计存在一定的局限性，可以将对应的文件输入自身带有的拓扑优化模块软件。而在了解所分析的零部件功能或者要解决问题的性质基础上，必须要明确几方面的因素，分别是设计区域、目标与约束、分析类型与模型。经过实践之后证明，拓扑优化大约97%的时间都消耗于有限元分析过程当中。明确了分析目的与内容之后，这些都需要导入对应的软件当中，如果模型较为简单，那么也可以使用简单的CAE自带建模工具进行处理。如果是比较大的模型，那么就需要提取典型参数，根据对应的尺寸和空间来进行分别建模，最后进行组装。而对于这一过程中，对结构特性影响比较小的部分，则是可以进行简化，比如说小的圆角结构、其他配件工艺等等。
3.当下存在的困难与挑战
在当下发展的过程中，CAD建模与CAE软件之间接口并不完善，数据转化问题让优化软件对于三维模型的修改较为困难，同时在优化结果提取的过程中，依旧需要有经验的工程师来花费时间完成工作。拓扑结构优化过程在针对与不同目标以及不同结构进行分析的过程中，需要在不同的阶段来建立对应的模型，很多时候这样难以保证模型的统一性[5]。
优化算法的选择非常关键，需要针对于具体优化问题特点来建立对应的求解策略以及优化算法。除此之外，使用功能强大的有限元软件比如说ANSYS等与专用拓扑优化模块的合理配合，这也是解决大型复杂结构优化设计的关键途径，需要得到关注与重视。
结束语：
经过接近二十年的发展，国内外经过研究之后都深入了对这方面的研究与分析，拓扑优化研究工作已经逐渐走出了实验室阶段，同时在汽车领域取得了较好的使用价值。但是这项技术当下美中不足的问题在于，当下的研究依旧集中在梁、板、壳等单一结构。在今后的研究过程中，未来需要将这一研究成果实现更进一步的推广，从而实现各方面实际应用问题的解决。
参考文献：
[1]李晓东，田成元，孙晓微. 拓扑优化技术在车辆工程CAE中的应用[J]. 时代汽车，2021，（02）：30-31.
[2]李鹏，杜艺博，彭嘉潮，刘根柱. 可移动变形组件法中组件数对拓扑结构优化的影响[J]. 制造技术与机床，2020，（08）：84-88.
[3]刘勺华，邵亭亭，路纪雷. 车辆吊耳支架结构优化分析研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2017，36（11）：100-105.
[4]陈远帆，李舜酩，苏玉青. 拓扑优化与尺寸优化相结合的割草车车架轻量化设计[J]. 重庆理工大学学报（自然科学，2017，31（01）：28-35.
[5]曹立波，宋慧斌，武和全，刘亚飞. 基于拓扑优化的汽车前纵梁耐撞性设计[J]. 中国机械工程，2016，27（06）：827-832.
【关键词】车辆;CAE;拓扑;结构优化
结构优化属于一门较为复杂的优化理论，其结构优化模型或者优化层次可以分为三种形式。首先是尺寸优化问题、形状优化问题及材料选择、拓扑优化问题。而其中拓扑优化问题又被成为布局优化问题，重要性在于能够在概念阶段实现对拓扑结构的重新选择，通常在开发新型产品的效率上能够有最大的效率。
1.拓扑优化在车辆工程中的应用发展及现状
拓扑结构优化在汽车行业当中的应用问题，国外对于这方面的研究比较早，从上个世纪九十年代就已经开始，比如说瑞典沃尔沃汽车公司就运用灵活铰链联接的框架结构模型对于有关框架拓扑优化中联合惩罚与材料选择问题进行了研究。在这一项目的研究过程中，引入了两组设计变量，目的在于能够找到满足刚度要求前提下最具轻量化的设计方案。在这一过程中，提出了向典型框架拓扑优化的两方面眼神，也就是结构铰链惩罚以及材料查补策略[1][2]。
而国内对于这方面的研究则是二十年之内开展的，尤其是在近几年发展的过程中，这项研究逐渐活跃。比如说本田汽车公司就将有限元分析与结构拓扑进行了结合，根据汽车车架结构受力特性以及整体材料性能要求，提出了优化数据血腥的目的，构建了应力约束下的车架拓扑优化准则，同时也对车架进行了仿真设计，得出了合理的结果。而同济大学的高云凯等人则是将拓扑结构优化设计理论引入到了电动改装车的承载优化方面，使用先进的有限元分析软件，在电动改装轿车车身结构拓扑优化分析当中实现了多任务况、多状态变量条件下的拓扑优化设计，明确了下车身的最佳结构方案。
2.拓扑优化特点及流程
2.1拓扑优化特点
车辆产品研发流程一般来说分为四个步骤。首先需要进行概念设计，其次则是需要进行详细的设计，再次则是需要进行产品定型阶段，最后则是需要进行批量生产之后的结构改进设计。国内外学者针对于这方面已经进行了大量的研究以及探索，最终得出，影响了车身概念开发的关键因素包括两方面。首先就是实现不同设计方案所需要分析模型的快速构造以及对尺寸的编辑修改，其次则是快速实现多个方案的性能比较和结构优化设计。在概念开发阶段，就可以着手进行结构的拓扑优化工作，从而减少开发过程中的设计反复现象，缩短整体开发周期，让产品竞争力得到增长。而想要达到这一要求，需要尽量使用有限的信息来建立简化的模型，作为分析的关键基础，主要的目的就是希望可以反映出产品的静态状态以及动态要求，主要的用途也是用作为设计方案的评估以及优选。随着设计阶段的逐渐深入话发展，计算机辅助设计模型以及细化程度在这一过程中不断的增加与提升[3][4]。
2.2一般流程
拓扑结构优化一般来说实在一定空间领域当中寻找材料最合理分布的迭代过程，主要的目的就是在满足体积约束条件方面的同时，还能够将结构的柔性降到最低。使用专业的三维软件进行建模之后，数据输入的准则包括：如果有相关接口，那么需要选择这一接口来作为模型输入端。在读入数据之前还需要将数據进行处理与转化，随后配合拓扑优化模块，进行拓扑优化分析。但是由于很多软件对于大型、复杂结构的拓扑结构设计存在一定的局限性，可以将对应的文件输入自身带有的拓扑优化模块软件。而在了解所分析的零部件功能或者要解决问题的性质基础上，必须要明确几方面的因素，分别是设计区域、目标与约束、分析类型与模型。经过实践之后证明，拓扑优化大约97%的时间都消耗于有限元分析过程当中。明确了分析目的与内容之后，这些都需要导入对应的软件当中，如果模型较为简单，那么也可以使用简单的CAE自带建模工具进行处理。如果是比较大的模型，那么就需要提取典型参数，根据对应的尺寸和空间来进行分别建模，最后进行组装。而对于这一过程中，对结构特性影响比较小的部分，则是可以进行简化，比如说小的圆角结构、其他配件工艺等等。
3.当下存在的困难与挑战
在当下发展的过程中，CAD建模与CAE软件之间接口并不完善，数据转化问题让优化软件对于三维模型的修改较为困难，同时在优化结果提取的过程中，依旧需要有经验的工程师来花费时间完成工作。拓扑结构优化过程在针对与不同目标以及不同结构进行分析的过程中，需要在不同的阶段来建立对应的模型，很多时候这样难以保证模型的统一性[5]。
优化算法的选择非常关键，需要针对于具体优化问题特点来建立对应的求解策略以及优化算法。除此之外，使用功能强大的有限元软件比如说ANSYS等与专用拓扑优化模块的合理配合，这也是解决大型复杂结构优化设计的关键途径，需要得到关注与重视。
结束语：
经过接近二十年的发展，国内外经过研究之后都深入了对这方面的研究与分析，拓扑优化研究工作已经逐渐走出了实验室阶段，同时在汽车领域取得了较好的使用价值。但是这项技术当下美中不足的问题在于，当下的研究依旧集中在梁、板、壳等单一结构。在今后的研究过程中，未来需要将这一研究成果实现更进一步的推广，从而实现各方面实际应用问题的解决。
参考文献：
[1]李晓东，田成元，孙晓微. 拓扑优化技术在车辆工程CAE中的应用[J]. 时代汽车，2021，（02）：30-31.
[2]李鹏，杜艺博，彭嘉潮，刘根柱. 可移动变形组件法中组件数对拓扑结构优化的影响[J]. 制造技术与机床，2020，（08）：84-88.
[3]刘勺华，邵亭亭，路纪雷. 车辆吊耳支架结构优化分析研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2017，36（11）：100-105.
[4]陈远帆，李舜酩，苏玉青. 拓扑优化与尺寸优化相结合的割草车车架轻量化设计[J]. 重庆理工大学学报（自然科学，2017，31（01）：28-35.
[5]曹立波，宋慧斌，武和全，刘亚飞. 基于拓扑优化的汽车前纵梁耐撞性设计[J]. 中国机械工程，2016，27（06）：827-832.