基于多目标的白车身拓扑优化分析之二

在上一期我们分享了基于shrink wrap mesh的方法进行车身及整车拓扑优化，这种方法应用非常广泛，实用价值高，特别是传函优化，如噪声传函优化，但是该方法需要定义主从面用于拓扑区域与非拓扑区域tie连接，操作相对复杂些。

本期我们分享另一种更容易操作的拓扑优化方法，采用壳单元方法，这种方法对车身及整车同样具有较高的实用价值。

一、拓扑分析流程

图1 拓扑优化分析流程

二、拓扑优化案例

1、目的：通过对车身整体模态及刚度进行分析，采用拓扑优化技术，识别出车身结构相对薄弱区域。

2、工况：（1）弯曲及扭转刚度分析工况；（2）弯曲及扭转模态分析工况；

3、目标函数：（1）响应：包括弯曲刚度、扭转刚度、扭转模态、弯曲模态、综合应变能等；（2）约束：弯曲刚度大于15000N/mm，扭转刚度大于18000Nm/deg，扭转模态大于45Hz，弯曲模态大于50Hz，体积分数小于0.2。（3）目标：综合应变能最小。

三、拓扑优化步骤

1、定义设计空间：选取需要拓扑的区域，如整个车身，对该车身复制一层单元作为拓扑设计空间，同时该拓扑单元需要与原单元进行合并。

图2 拓扑设计空间

2、定义设计空间材料：拓扑材料为原单元材料，同时尽量不要产生附加质量。

3、定义分析工况：如弯曲扭转刚度工况，弯曲扭转模态工况等

4、定义优化函数：包括响应、约束及目标等。通常对车身进行工况分析时，需要考虑各工况之间的权重。

（1）响应定义：包括刚度、模态、体积分数及应变能等

图3 刚度响应定义（刚度也可采用方程进行定义）

图4 加权应变能定义

图5 体积分数定义

（2）约束定义：包括刚度、模态、体积分数等

图6 刚度约束定义

图7 模态约束定义

图8 体积分数约束定义

（3）目标定义：主要是综合应变能等

图9 目标函数定义

四、拓扑优化结果解读

通过拓扑优化迭代计算，在给定条件下，可能通过拓扑结果识别相对薄弱区域以及关键传力路径，为产品开发和结构优化提供极为重要的参考。

1、拓扑结果查看

图10 拓扑优化结果

通过多次迭代计算，从拓扑优化优化结果可以看出以下位置需要重点加强：shotgun、A柱下部门框处、B柱下部门框处、门槛梁区域等；

2、目标函数迭代收敛图

通过多次迭代求解，可以看出在满足给定条件下，目标函数趋于收敛。

图11  目标函数迭代收敛图

图12  刚度迭代收敛图

图13  综合应变能迭代收敛图

五、小结

本期采用壳单元对白车身进行了多工况多目标拓扑优化，得到了关键的传力路径和区域，该方法相对上一期的shrink wrap mesh方法迭代计算相对快，且更容易理解，对于初学人员来说或许更合适，但这两种拓扑方给CAE工程师提供了更多的选择。