车辆工程CAE中拓扑优化技术运用问题与流程要点

车辆工程毕业论文范文第三篇：车辆工程CAE中拓扑优化技术运用问题与流程要点　

　　摘要：在社会高速发展的时代背景影响下，国民生活的物质水平不断上升，汽车已经成为了人们生活中必不可少的重要出行工具，国民汽车的普及率不断上升，为汽车产业发展奠定了重要基础。随着汽车产业的不断发展，车辆工程CAE愈加复杂，为了充分提升汽车的结构力学性能，拓扑优化技术在车辆工程CAE中的应用愈加重要，成为了新时代下推动企业产业发展的重要技术体系。

　　关键词：拓扑优化技术； 车辆工程； CAE; 应用；

　　作者简介： 李晓东，（1981.10-），男，汉族，甘肃礼县人，甘肃交通职业技术学院讲师，硕士学位。主要研究方面：车辆工程机械电子工程。； 田成元，（1981.12-），男，汉族，甘肃武威人，甘肃交通职业技术学院讲师，硕士学位。主要研究方面：机械电子工程、PLC控制。； 孙晓微，（1981.12-），女，汉族，甘肃兰州人，兰州兰石石油装备工程股份有限公司工程师，本科。主要研究方向：石油钻机总体系统的研究、PLC控制。；

　　基金： 2020年度甘肃省高校大学生就业创业能力提升工程-高职机电类专业学生就业能力提升与拓展训练中心；in CAE of Vehicle Engineering

　　Abstract:Under the influence of the rapid development of the society,the material level of people's lives is constantly rising.Automobiles have become an indispensable and important travel tool in people's lives.The increasing popularity of national cars has laid an important foundation for the development of the automobile industry.With the continuous development of the automotive industry,vehicle engineering CAE has become more and more complex.In order to fully improve the structural mechanics of automobiles,the application of topology optimization technology in vehicle engineering CAE has become more and more important,and it has become an important technical system to promote the development of enterprise industry in the new era.

　　Keyword:topology optimization technology; vehicle engineering; CAE; application;

　　在当前汽车产业发展过程中，为了充分保证车辆机械工程结构的优化设计以提升车辆性能，常常需要对车辆的尺寸结构、形状结构、材料选择以及拓扑优化等问题进行研究，而其中拓扑优化就是重要的一环，尤其是在新时期汽车产业发展中车辆工程CAE复杂性不断提升的背景下，将拓扑优化技术应用在车辆工程CAE之中，更是提升车辆工程新品研发实效的必然途径。

　　1 拓扑优化技术及车辆工程CAE

　　拓扑优化技术是新时期应用于车辆工程的重要技术体系，也被称之为布局优化技术或者布置优化，其主要意义就是在限定的负载信息基础、相关约束条件以及最终的性能指标要求下，在限定区域内对车辆工程设计的使用材料进行分布优化的一种数学方法，与车辆工程设计中的尺寸优化、形状优化、形貌优化共属于结构优化的一种。拓扑优化技术的核心是以材料分布作为结构优化的主要对象，以材料分布的均匀性在设计空间内找寻最佳的材料分布方案，以实现对车辆工程结构空间设计的提升，使车辆工程设计具有更高的结构自由度，是当前汽车产业发展中的重要的辅助技术体系，对于车辆工程结构设计优化具有重要意义[1].在当前车辆工程产业的汽车机械结构优化设计中进行拓扑优化技术应用时，其主要技术应用方法包含了均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法、水平集方法等等，并且随着近年来汽车产业发展速度的不断加快，拓扑优化技术应用的方式也在逐渐创新，为车辆工程的结构优化设计提供了技术保障。

　　而在当前汽车行业发展中，车辆工程的计算机辅助工程的重要性不断上升，也就是常说的车辆工程CAE（Computer Aided Engineering），其主要作用就是通过计算机辅助求解来对车辆工程的复杂机械工程结构及其结构力学性能进行分析，还包括了结构性能优化的作用，以实现将车辆工程结构设计中的各个生产工程环节充分的结合到一起，实现对车辆结构优化作业的信息集成，进而实现车辆工程产生与产品生命周期的并存性发展。在当前车辆工程CAE发展中，CAE软件的功能属性愈加完善，包含了对车辆工程机械结构力学性能的动静态分析两种模式，并且对车辆工程结构研究的线性问题以及非线性问题都具有较高的软件研究效果，是新时期汽车产业发展中必不可少的重要辅助技术体系。

　　2 拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用的价值分析

　　随着当前当前时期汽车产业的高速发展，人们对车辆的要求也逐渐多元，不仅对车辆工程的结构空间设计优化重视程度不断上升，对于车辆工程结构设计的安全性要求也愈加严格。而将拓扑优化技术应用于车辆工程CAE之中，就能够在车辆工程的结构力学性能分析中通过对车辆材料布局结构的优化，来提升车辆结构力学设计的科学性，这对于汽车工业发展具有重要的推动意义和技术应用价值，主要体现在以下两个方面：

　　首先，拓扑优化技术在车辆工程CAE中的应用能够提升新品研发效率。当前汽车产业竞争日益激烈，并且正处于汽车工业转型发展的重要阶段，在这一阶段，汽车新产品的研发设计创新已经成为了提升汽车制造企业市场竞争力的核心所在。而在汽车新产品研发中，就离不开对车辆工程结构优化设计的创新，而车辆工程CAE作为车辆工程结构力学设计优化的重要辅助技术体系，将拓扑优化技术应用到其中，就能够通过材料布局的优化来为CAE结构力学优化提供帮助，进而提升汽车产业的新产品研发效率。

　　其次，拓扑优化技术在车辆工程CAE中的应用有助于车身结构改造。在当前的汽车产业发展中，业界人士对车辆工程的车身结构优化重视程度不断上升，车身结构优化设计以及成为了当前时期满足车辆性能需求的基本前提。而当拓扑优化技术应用于车辆工程CAE之中时，就能够通过其拓扑优化功能，实现对车辆工程结构设计厚度的变量，然后通过对零件模态的优化，最终实现对车辆工程设计中车身结构的改造，还能够同时实现对车辆工程结构刚度以及结构强度的全面分析。

　　3 拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用的存在的问题

　　虽然当前车辆工程CAE设计优化中对拓扑优化技术应用的重视程度在逐渐提升，但是由于当前车辆工程机械结构设计中存在的一些现实问题，也给拓扑优化技术在车辆工程CAE中的应用带来了一些困境，主要就是目前阶段车辆工程结构设计中CAD建模与CAE软件之间存在接口不完善的现实问题，这就会导致拓扑优化技术应用时出现数据转换中三维模型数据修正较为困难，给优化提取工作造成严重的不利影响[2].并且在这一过程中，针对不同的结构优化设计目标以及差异性的结构疲劳强度和安全性等原因，需要在不同的结构优化设计阶段开发不同的优化设计模型，因此就很难保证优化设计模型的统一性，这就给车辆工程CAE中拓扑优化技术的应用埋下了不利于前提条件。与此同时，在拓扑优化技术应用于车辆工程CAE的过程中，优化算法选择的问题也是其面临的主要困境之一，具体优化设计问题都存在其自身的有效求解策略和优化算法，这就需要在车辆工程CAE中应用拓扑优化技术时，高度重视优化算法以相求解策略的选择与研究，保证其应用的科学性和整体质量。

　　4 拓扑优化技术在车辆工程CAE中的应用流程要点

　　拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用时，其主要应用流程要点包含以下方面：

　　第一，明确因素条件。在拓扑优化技术应用于车辆工程CAE之中时，首要的技术应用要点就是明确其关键因素，主要包含了车辆工程的结构设计区域因素、目标约束限定、分析类型与模型。拓扑优化技术的主要技术应用都在有限元分析过程中，对车辆工程CAE结构设计中这些关键因素的明确是保证其结构优化算法选择科学性的及重要基础，更是对其技术限制因素明确的关键所在。因此，拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用的首要流程要点就是对关键因素的明确及清晰，进而在关键因素的限制内，进行拓扑优化算法的选择，充分保证拓扑优化科学性的同时，满足其技术应用中对车辆工程结构优化设计的荷载传递稳定、计算速度保证、结构布局修改以及结构设计自由等方面的要求[3].

　　第二，CAD模型修复及CAE网格划分。在车辆工程CAE中应用拓扑优化技术时，需要将车辆工程结构的CAD模型导入到CAE软件之中，以实现对车辆机构模型的调整与优化。而在CAD模型导入时，由于接口问题，常会出现模型数据损坏或丢失的情况，因此在技术模型应用中，重要的应用流程要点之一就是对模型进行修复，以避免对拓扑优化技术的有限元模型分析产生质量、计算的精准性和速度的影响。在模型修复完成以后，要根据CAE软件的单元类型需求，对CAD车辆工程结构模型进行网格划分，以保证拓扑优化中结构材料布局优化设计的科学性。

　　第三，荷载施加及边界条件界定。在拓扑优化技术的有限元模型优化中，其核心部分就是荷载施加以及边界条件的界定，有限元模型作为拓扑优化技术有限元分析的关键，其荷载施加及边界条件的界定会直接影响到拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用的质量，更决定了拓扑优化中计算结果的精度。

　　第四，计算后处理及模型提取。拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用时得出计算结果以后，还需要对计算结果进行详细的分析，并根据实际情况确认是否需要对设计模型进行调整，以充分保证其对车辆机械工程结构优化的科学性和整体质量。在对优化后的模型进行处理后，最后的技术应用流程就是将优化后的车辆机构模型提取出来，提取过程中，必须对其通用方法进行进一步的深化与开发，以充分保证模型提取过程的完善性，避免CAD模型受损，给车辆工程结构拓扑优化带来不利影响。

　　5 结束语

　　拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用是新时期推动汽车研发创新的必然途径，更是推动我国企业产业发展的重要举措。拓扑优化技术在车辆工程CAE中应用时，必须对其应用流程进行综合性的考察与思考，以保证车辆结构材料布局优化的整体质量。

　　参考文献

　　[1]朱剑峰，龙凯，陈潇凯，et al.多工况及动态连续体结构拓扑优化中的工程约束技术[J].北京理工大学学报（3）：35-39.

　　[2]梅帅，陈飙松，张盛，et al.开放式结构拓扑优化软件设计与研发[J].机械工程学报（9）：150-158.

　　[3]刘志强，王明强。应用拓扑优化理论进行结构概念设计[J].机械与电子（10）：28-30.