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摘要：在当前的发展形势下，各种先进的科学技术应用到了各个行业中，提高了各类产品的生产质量。目前人们对各个行业的发展要求越来越高，汽车行业为了满足社会的发展求，使用各种现代化科学技术对汽车设计进行优化，希望汽车在应用过程中可以到达节约能源的目标。拓扑优化技术的应用可以对汽车的结构进行优化，改变其原来的性质，提高应用性能。
关键词：拓扑优化技术；汽车设计；应用
一、拓扑优化技术
作为结构优化设计的一门新技术，拓扑优化技术在汽车、机床、电子机械等领域中已经得到了广泛地应用。传统的结构优化设计具有一定的盲目性，完全依赖于工程师的经验，并且需要做大量的实验，周期较长且成本较高。现阶段，通过在结构优化设计的初始阶段引入拓扑优化技术，大大提高了结构设计的合理性，改变了传统的仅凭经验来设计的理念。
拓扑优化技术是指在指定的设计空间内，重新规划材料分布，使得部件的某种性能满足设计者的要求。拓扑优化技术主要探讨结构材料的分布形式和构件的联结方式，运用去除材料、增加孔洞数量等拓扑优化形式，旨在使结构在满足应力、位移等约束条件下，其强度或固有特性等指标达到最优。
结构拓扑优化设计的主要思想是将结构优化问题转化为材料优化问题，并在给定的设计区域内进行优化计算。拓扑优化设计的思路首先需给定材料类型和设计方法，在此基础上得到既满足约束条件又能使目标函数最优的结构布置形式。由于拓扑优化设计初始约束条件较少，工程师仅需给定设计域而不必清楚具体的结构拓扑形式。
拓扑优化设计是在指定的设计区域内，通过迭代过程计算求解材料最优分布的一种优化手段。以某种材料为例进行说明，首先需定义材料分布形式，再以灵敏度计算、结构分析、修改材料分布等方式进行迭代计算。经过多轮迭代优化后，材料分布逐渐趋于稳定，优化过程结束。对于连续体优化问题，通过计算通常可得到最优的材料分布形式，使设计结构达到最优。
进行拓扑优化设计时，要对设计的内容、设计的范围、设计方向和设计模型等条件进行了解和掌握，要符合用户的实际需求，在进行优化的过程中，用户可以实时监控优化的内容。等到优化完成后，还需要对优化的部件进行有效处理，直到部件的各部位性能都可以满足用户需求后才可以。在进行拓扑优化时，主要改变材料的组成结构，但是有些区域的质量无法达到应用标准，所以需要进行后续处理，进行局部的优化工作。保证材料部件的各方面优化都满足使用需求之后需要建立一个三维模型，在该模型中体现出结构的优化形式，有些优化参数无法得到准确数据，就需要进行反复修改。
二、拓扑优化设计的研究方法
目前拓扑优化方法主要有以下三种，分别为变密度法、均匀化方法以及渐进结构优化方法。
（1）变密度法就是就是改变材料的密度，掌握可以使材料发生变化的某转给特性。在对材料密度进行改变的过程中，使用有效的方法了解到密度与各种参数之间的关系，把材料的原密度作为参考的标准，将材料中的密度进行合理分配，将结构的优化转化为密度的变化，这样就可以实现部件结构的拓扑优化。
（2）均匀化方法是建立在均匀化理论基础之上的，通过在拓扑结构材料中引入带有孔洞的单胞结构，并将设计区域离散成多个微结构单胞集合体，经计算可实现对连续体的拓扑优化。通过均匀化方法计算，可确定结构材料密度呈 0～1分布，最终得出最优的拓扑结构。目前广泛应用于三维连续体、振动、热弹性、屈曲及复合材料的拓扑优化分析。
（3）漸进结构优化方法（Evolutionary Structure O ptim ization，ESO）的基本原理是将结构中多余或低效的材料逐渐去除，从而使剩余的结构趋于合理。该方法物理概念简单、明确、通用性好，易于被工程技术人员接受和理解，因此应用范围较广。ESO方法自提出以来，广泛应用于各类结构的尺寸、形状和拓扑优化，如应力、刚度、位移、振动频率、响应等稳定性约束的连续体结构拓扑优化设计问题。
三、拓扑优化技术的应用
在各项技术的不断发展中，拓扑优化技术也有所提升，许多领域都应用了拓扑优化技术，比航空行业、汽车设计和机械制造等，可以发挥出其较强的应用优势。在汽车的设计中，我们国家应用该技术的时间比较晚，目前还没有得的普遍应用。在进行设计的过程中，主要就是对汽车的车身结构、变速器构建和支架等位置进行拓扑优化。进行优化主要就是为了保证企业结构轻便牢固、对于有些部位则是希望可以节约能源的使用。
在对汽车结构进行优化的过程中，主要就是为了汽车的车身质量可以在保证应用质量的前提下，将质量变的更轻，在开始优化时，要掌握汽车的整体结构，并且要对车身结构中各个部位的承受作用力情况进行有效掌握，根据实际情况来对车身结构进行合理优化和分配，让分配后的车身结构更加符合汽车的整体性能，并且还可以承受各个部位约束力，以此实现对汽车车身结构的拓扑优化。优化完成后，工程人员可以对汽车整体使用效果进行分析，通过以往的经验可以看出，在进行拓扑优化之后，汽车的应用性能有所提高，各个结构的耗能情况得到了有效的控制。
汽车底盘系统的许多零部件均是实心结构，如控制臂、转向节、副车架等。因经验设计往往存在多余，从而造成整个结构重量加大。因此，在对该类零部件进行设计优化时，常以质量最小为优化目标。控制臂以质量最小化作为目标，以结构的最大应力作为约束，通过对该结构进行优化减重效果明显，比例达到 14%，结构应力控制在材料的屈服极限内。同样，在对转向节进行拓扑优化时，其目标设置为质量最小，约束为结构的应力和连接点位移。经过优化，转向节强度大幅度提高。但在局部位置出现高应力集中现象，可通过后续设计，降低这些部位的应力水平，增强连接点的刚度。
对于支架结构，频率和刚度是其关键指标。对某支架进行拓扑优化时，目标通常为质量最小，并将支架的一阶频率和载荷施加点位移控制在一定范围内。经过优化，质量减少了 42%，应力也控制在材料屈服极限内。
结语：
何快速地研发出产品，对各汽车制造商都尤为重要。拓扑优化技术可在前期设计阶段大幅度缩短项目的开发周期，并在满足性能目标的前提下使得结构设计最优。通过该技术，可以为工程师在设计企划阶段提供大量的优化方案，对后期整车轻量化具有重要的意义。
参考文献：
[1]姜卫远.基于拓扑优化的电动汽车新概念车身设计方法研究[D].北京理工大学，2015.
[2]赵清海.不确定性条件下的汽车结构拓扑优化设计研究[D].北京理工大学，2016.
关键词：拓扑优化技术；汽车设计；应用
一、拓扑优化技术
作为结构优化设计的一门新技术，拓扑优化技术在汽车、机床、电子机械等领域中已经得到了广泛地应用。传统的结构优化设计具有一定的盲目性，完全依赖于工程师的经验，并且需要做大量的实验，周期较长且成本较高。现阶段，通过在结构优化设计的初始阶段引入拓扑优化技术，大大提高了结构设计的合理性，改变了传统的仅凭经验来设计的理念。
拓扑优化技术是指在指定的设计空间内，重新规划材料分布，使得部件的某种性能满足设计者的要求。拓扑优化技术主要探讨结构材料的分布形式和构件的联结方式，运用去除材料、增加孔洞数量等拓扑优化形式，旨在使结构在满足应力、位移等约束条件下，其强度或固有特性等指标达到最优。
结构拓扑优化设计的主要思想是将结构优化问题转化为材料优化问题，并在给定的设计区域内进行优化计算。拓扑优化设计的思路首先需给定材料类型和设计方法，在此基础上得到既满足约束条件又能使目标函数最优的结构布置形式。由于拓扑优化设计初始约束条件较少，工程师仅需给定设计域而不必清楚具体的结构拓扑形式。
拓扑优化设计是在指定的设计区域内，通过迭代过程计算求解材料最优分布的一种优化手段。以某种材料为例进行说明，首先需定义材料分布形式，再以灵敏度计算、结构分析、修改材料分布等方式进行迭代计算。经过多轮迭代优化后，材料分布逐渐趋于稳定，优化过程结束。对于连续体优化问题，通过计算通常可得到最优的材料分布形式，使设计结构达到最优。
进行拓扑优化设计时，要对设计的内容、设计的范围、设计方向和设计模型等条件进行了解和掌握，要符合用户的实际需求，在进行优化的过程中，用户可以实时监控优化的内容。等到优化完成后，还需要对优化的部件进行有效处理，直到部件的各部位性能都可以满足用户需求后才可以。在进行拓扑优化时，主要改变材料的组成结构，但是有些区域的质量无法达到应用标准，所以需要进行后续处理，进行局部的优化工作。保证材料部件的各方面优化都满足使用需求之后需要建立一个三维模型，在该模型中体现出结构的优化形式，有些优化参数无法得到准确数据，就需要进行反复修改。
二、拓扑优化设计的研究方法
目前拓扑优化方法主要有以下三种，分别为变密度法、均匀化方法以及渐进结构优化方法。
（1）变密度法就是就是改变材料的密度，掌握可以使材料发生变化的某转给特性。在对材料密度进行改变的过程中，使用有效的方法了解到密度与各种参数之间的关系，把材料的原密度作为参考的标准，将材料中的密度进行合理分配，将结构的优化转化为密度的变化，这样就可以实现部件结构的拓扑优化。
（2）均匀化方法是建立在均匀化理论基础之上的，通过在拓扑结构材料中引入带有孔洞的单胞结构，并将设计区域离散成多个微结构单胞集合体，经计算可实现对连续体的拓扑优化。通过均匀化方法计算，可确定结构材料密度呈 0～1分布，最终得出最优的拓扑结构。目前广泛应用于三维连续体、振动、热弹性、屈曲及复合材料的拓扑优化分析。
（3）漸进结构优化方法（Evolutionary Structure O ptim ization，ESO）的基本原理是将结构中多余或低效的材料逐渐去除，从而使剩余的结构趋于合理。该方法物理概念简单、明确、通用性好，易于被工程技术人员接受和理解，因此应用范围较广。ESO方法自提出以来，广泛应用于各类结构的尺寸、形状和拓扑优化，如应力、刚度、位移、振动频率、响应等稳定性约束的连续体结构拓扑优化设计问题。
三、拓扑优化技术的应用
在各项技术的不断发展中，拓扑优化技术也有所提升，许多领域都应用了拓扑优化技术，比航空行业、汽车设计和机械制造等，可以发挥出其较强的应用优势。在汽车的设计中，我们国家应用该技术的时间比较晚，目前还没有得的普遍应用。在进行设计的过程中，主要就是对汽车的车身结构、变速器构建和支架等位置进行拓扑优化。进行优化主要就是为了保证企业结构轻便牢固、对于有些部位则是希望可以节约能源的使用。
在对汽车结构进行优化的过程中，主要就是为了汽车的车身质量可以在保证应用质量的前提下，将质量变的更轻，在开始优化时，要掌握汽车的整体结构，并且要对车身结构中各个部位的承受作用力情况进行有效掌握，根据实际情况来对车身结构进行合理优化和分配，让分配后的车身结构更加符合汽车的整体性能，并且还可以承受各个部位约束力，以此实现对汽车车身结构的拓扑优化。优化完成后，工程人员可以对汽车整体使用效果进行分析，通过以往的经验可以看出，在进行拓扑优化之后，汽车的应用性能有所提高，各个结构的耗能情况得到了有效的控制。
汽车底盘系统的许多零部件均是实心结构，如控制臂、转向节、副车架等。因经验设计往往存在多余，从而造成整个结构重量加大。因此，在对该类零部件进行设计优化时，常以质量最小为优化目标。控制臂以质量最小化作为目标，以结构的最大应力作为约束，通过对该结构进行优化减重效果明显，比例达到 14%，结构应力控制在材料的屈服极限内。同样，在对转向节进行拓扑优化时，其目标设置为质量最小，约束为结构的应力和连接点位移。经过优化，转向节强度大幅度提高。但在局部位置出现高应力集中现象，可通过后续设计，降低这些部位的应力水平，增强连接点的刚度。
对于支架结构，频率和刚度是其关键指标。对某支架进行拓扑优化时，目标通常为质量最小，并将支架的一阶频率和载荷施加点位移控制在一定范围内。经过优化，质量减少了 42%，应力也控制在材料屈服极限内。
结语：
何快速地研发出产品，对各汽车制造商都尤为重要。拓扑优化技术可在前期设计阶段大幅度缩短项目的开发周期，并在满足性能目标的前提下使得结构设计最优。通过该技术，可以为工程师在设计企划阶段提供大量的优化方案，对后期整车轻量化具有重要的意义。
参考文献：
[1]姜卫远.基于拓扑优化的电动汽车新概念车身设计方法研究[D].北京理工大学，2015.
[2]赵清海.不确定性条件下的汽车结构拓扑优化设计研究[D].北京理工大学，2016.