德州学院汽车工程学院  李敏 朱恒伟
 

引言

目前，安全、节能、环保成为汽车工业可持续发展的主要方向。大客车车身骨架作为主要承载结构，其重量约占大客车总重量的30%～40%[1]，合理的汽车轻量化设计不但可以减重，有效地实现节能减排，还可以在一定程度上改善汽车性能。

1 拓扑优化理论基础研究

在拓扑优化过程中首先应建立基础模型，然后通过优化搜索方法保留结构中必要部分，去掉非必要部分，以确定结构的最优布局，以整体结构离散成n个单元，则每个单元为xi（i=1,2.3......n），优化后若第j个单元为非必要单元，则xj为0，反之则为1[2]。为更好做到优化设计，采用的优化方法为变密度法[3]。

其数学表达式为：

{x=(x1,x2,……,xn)T} min:F(x)

  s.t{gj(x)≤0,hk(x)=0

其中：F（x）为目标函数；gj（x）为约束条件；hk（x）为等式约束；

在连续体拓扑优化过程中首先应建立拓扑优化空间，然后确定边界条件及受载状态，然后确定相应的优化算法进行优化，在优化过程中软件自动删除一些无关材料，最终达到最优。客车骨架拓扑优化流程如图1所示。

2 新能源客车车身受载分析及拓扑优化

新能源客车优化设计首先应确定优化空间，基于客车的全承载式结构，客车车顶、底架、左右侧面为拓扑优化区域。大客车顶部需要设置两个紧急逃生窗口，所以预留两方形孔，左右侧面窗口和车门均为必要结构，所以在建立拓扑空间时应该预留出该部分，并设为非优化区域[4,5]。

现有新能源客车车身是由Q235钢材焊接而成，Hypermesh中定义其材料属性和力学特性，如表1所示。