2016汽车轻量化创新技术评选AAM 车桥外壳的拓扑优化

轻量化已逐步成为汽车厂商研发和技术创新的关键点。《汽车与配件》杂志与TÜV莱茵集团（关注微信号：TUV莱茵）联合举办2016汽车轻量化创新技术评选活动，聚焦当下最受关注的汽车轻量化技术。

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小编

AAM 车桥外壳的拓扑优化

轻量化设计已渐渐占据了当今汽车工业发展的主要地位，它既可以提高车辆动力性能，降低成本，减少能源消耗，又可以减少污染排放。但汽车的轻量化设计同时也是一把双刃剑，在减轻汽车重量的同时，也牺牲了车辆的强度，刚度，甚至会影响到产品的结构寿命。

在传统设计中，由于机械结构的复杂性，长久以来都是依靠经验类比来进行设计，对产品结构做定性分析和经验类比估算，最终在决定实际结构时，都会选取较大的安全系数，这样会使材料的潜力得不到充分发挥。

拓扑优化又称结构布局优化，是一种根据载荷，约束以及目标来寻求结构和材料的最佳分配的方法。在给定的材料品质和设计空间内，得到既满足约束条件又使目标函数最优的材料布局结构。相对于传统设计，它可以缩短设计开发周期，提高零件质量，降低成本，从而增强企业的竞争力。

拓扑优化的基本思路是把结构的最优问题转化为在给定设计区域内寻求最优材料分布的问题。利用有限元进行拓扑优化分析时，还要再引入一种在（0，1）之间可变密度值的材料，将连续结构体离散为有限元模型后，以每个单元的密度为设计变量，从而将拓扑优化转化为单元的最优化布局。

目标函数可以是最小变形能：结构变形能（最小） =载荷矢量×位移矢量

考虑材料体积和结构的平衡，其拓扑优化的数学模型为

0＜X_min≤X_e≤X_max

载荷矢量 = 刚度矩阵×位移矢量

结构变形能(最小) = ∑第i个子工况的系数×第i个子工况的变形能

求 X=(X₁,X₂,X₃,……X_n)

定义载荷及边界条件，定义拓扑优化设计空间，目标函数及约束条件，拓扑优化迭代求解，优化计算结果输出

相对于原始设计，拓扑优化后的设计重量减轻了4.83%

疲劳裂纹形成时间从10个循环推迟到141个循环。

随着现代化工业的发展，有限元拓扑优化的概念会被越来越多的人接受并有效运用，届时它将会真正成为工程师的左膀右臂。