结构优化在汽车轻量化中的应用综述
摘要：首先论述了汽车轻量化的意义、技术内涵、物理意义、发展现状和方法；接着介绍了高强钢、有色合金材料、塑料和复合材料等轻质材料在汽车轻量化中的作用；然后对尺寸优化、形状优化和拓扑优化三种结构优化方法的概念、数学模型、国内外发展现状加以阐述，并结合实例进行说明；最后提出了结构优化方法的结合使用、理论创新推动拓扑优化展望，以期推动汽车轻量化的发展。
关键词：汽车轻量化；轻质材料；结构优化；拓扑优化
0 前言
2013年中国汽车产销双双超过2000万辆，增速大幅提升，并且再次刷新全球记录，已连续五年蝉联全球第一。汽车工业已成为中国的支柱产业。随着汽车产量和保有量的增加，汽车在给人们的出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。针对三大问题，各国政府制定了如油耗法规、安全法规以及排放法规等条令法规。各国汽车工业界一致认为，汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法[1-4]。
1汽车轻量化技术及其发展现状
1.1 汽车轻量化技术
汽车轻量化的技术内涵是：采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。
汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。
1.2 汽车轻量化的物理意义
汽车轻量化设计应包括质量减轻和功能的完善和改进，为表征白车身的轻量化的效果，宝马汽车公司提出了轻量化系数的概念，该系数L可用下式表示[5]为
L?m/(CtA)（1）
式中m为白车身的结构质量（不包括车门和玻璃），Ct为静态扭转刚度（包括玻璃），A为左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积，L为轻量化系数。有关参量如图1，汽车轻量化效果反应在L值上为下降。
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图1 白车身轻量化系数的相关参量示意图
1.3 轻量化技术的发展现状
目前，国内汽车轻量化材料正在加速发展，新型智能材料逐渐在汽车制造中得到应用。车用高强度钢板、镁合金已在汽车上有所应用，如ULSAB—AVC项目中，车辆结构件几乎100%使用高强度钢[6]，可使汽车重量大大减轻，并增加了设计的自由度。上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金，随着镁合金材料的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善，自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱有铝改为镁，则可减轻30%左右。
2轻质材料的应用
据统计，汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65% 以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位，因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案[7]：
（1）使用密度小、强度高的轻质材料, 如镁铝合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；
（2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢； （3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。 2.1 高强钢
高强钢是一种广泛应用的轻量化材料，高强钢最大的优势是：提高材料的强度，在所要求的性能不变或略有提高的前提下，减薄板材构件的厚度，因而减轻构件的质量。减薄和高强是先进高强钢在减重和安全方面的优势，但也对冲压成形工艺提出了新的挑战。减薄和高强对冲压工艺而言是恶化成形性的双重因素， 不仅使车身零件在成形过程中易开裂，而且易产生过量回弹，冲压件的回弹常用U 型槽的拉伸试验来测定。相对于软钢和传统高强钢，先进高强钢的回弹更大， 特别是当钢板原始强度大于1000MPa时，传统的冷冲压方法就难以生产结构、形状相对复杂的车身零件，这就需要热冲压技术[8]。目前我国高强钢应用于汽车零部件中的情况如表1所示。
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表1 高强钢的应用及作用
用高强钢所制造的零件 保险杠、加强板、门防冲柱、边梁加强筋 发动机盖板、门外板、行李箱盖板 车身边梁、横梁 边梁、车轮
希望的零件性能 高压溃强度、高吸能 高压痕抗力 高模量 疲劳强度 2.2 有色合金材料
铝具有良好的机械性能，其密度只有钢铁的1/3，机械加工性能比铁高4.5倍,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。
镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，其比重只有1.8/3，是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成汽车减轻自重，是提高其节能性和环保性的首选材料。镁合金在汽车中使用主要具有以下优势[9]：
（1）常用金属中最轻的金属 （2）比强度高
（3）对振动、冲击的吸收性能好 （4）易于机械加工 （5）抗凹陷性能好
（6）良好的焊接和铸造性能 （7）易于回收再生
但其铸造性差, 后处理工艺复杂, 成本高。 2.3 塑料和复合材料
塑料的应用同时满足降低整车重量和成本两方面的需求，因此是汽车使用的最多的非金属材料，相关技术也比较成熟。塑料具有比重小、耐腐蚀、隔音隔热、比强度高、吸收冲击能量、成本低、易加工、装饰效果好等诸多优点，不仅能减重降成本，而且对整车的安全性、舒适性和外观都有利[10]。塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小，成型性好，耐腐蚀，防振，隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。复合材料即纤维增强塑料，是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。 2.4 其他轻量化材料
精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。其发展史只有20年左右，但具有优良的力学性能(高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等)和化学性能(耐热冲击、耐氧化、蠕变等)。作为轻量化材料用于汽车零件，不仅直接起到轻量化的作用，更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性。
3 结构轻量化设计与优化
目前在三种汽车轻量化的途径中，新材料的研究与结构设计和分析与发展最为迅速，但新材料的研究存在开发周期长，技术要求高，开发成本高等缺点，制约了其在汽车轻量化中的普及。相对而言，汽车结构的优化应用最广泛，技术发展最成熟，也是汽车轻量化最有效的途径。结构优化根据设计变量类型的不同划分为3个层次：尺寸优化、形状优化和拓扑优化[11]。表2为结构优化三个层次概
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念及实例。现阶段，尺寸优化和形状优化的技术和理论体系已经很完善，使得拓扑优化或更深层次的结构优化成为了本行业研究者研究的重点和热点领域。
优化技术的普遍形式：
GOAL:min?(a(p))s.t:?(a(p))?0（2）
pl?p?pu在上面的形式中，?(a(p))表示车身的总质量，p代表设计变量。
目前连续体结构拓扑优化方法主要有以下三种。
第一种是均匀化方法，是连续体结构拓扑优化中应用最广的方法, 属材料描述方式。其基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构( 单胞) , 微结构的形式和尺寸参数, 决定了宏观材料在此点处的弹性性质和密度, 优化过程中以微结构的单胞尺寸为拓扑设计变量, 以单胞尺寸的消长实现微结构的增删, 并产生由中间尺寸单胞构成的复合材料, 以拓展设计空间, 实现结构拓扑优化模型与尺寸优化模型的统一和连续化。
第二种是变厚度法，是较早采用的拓扑优化方法, 属几何描述方式。其基本思想是以基结构中单元厚度为拓扑设计变量, 将连续体拓扑优化问题转化为广义尺寸优化问题, 通过删除厚度为尺寸下限的单元实现结构拓扑的变更。该方法突出的特点是简单, 适用于平面结构( 如膜、板、壳等) , 推广到三维问题有一定的难度。
第三种是变密度法，是一种常用的拓扑优化方法, 属材料( 物理) 描述方式。其基本思想是人为地引入一种假想的密度可变的材料, 材料物理参数( 如许用应力, 弹性模量)与材料密度间的关系也是人为假定的。优化时以材料密度为拓扑设计变量, 这样结构拓扑优化问题被转换为材料的最优分布问题。
表2 结构优化三个层次概念及实例
优化方法 概念 实例 尺寸优化 尺寸和参数优化，如某车的侧壁减薄等 直接给予有限元网络优化产品的位置和几何形状，如侧围下裙边形状优化 在给定的设计空间内找到最优的 材料分布，如乘员座椅及固定支架结构优化 形状优化 拓扑优化
3.1尺寸优化
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