载荷驱动的多材料组合车身多学科拓扑优化方法研究

When design a lightweight car body, it faces to three types of "multiple characteristics" including multi-domain characteristics of loading, multi-constitutive characteristics of the materials and multidisciplinary characteristics of the mathematical models of the car boy. This project proposes a load-driven multidisciplinary topology optimization method of Multi-Materials-Assembly (MMA) car body. Firstly, the mathematical model and acquisition method the car body loading sets are studied. Then the theory and approaches of multiple materials distribution and assembly on the 3D car body design domain are constructed. Thirdly, the mathematical model of the multidisciplinary topology optimization of the car body and its parallel solving methods are proposed. And then united them together and formed a practical, mature and completely design system of the MMA car body. An optimal structural layout and material distribution and their connection mode of an MMA car body can be got under certain loading and other boundary constraints by this method. It is a really load-driven multidisciplinary structural design method. It will provide new theories, methods and key solution technologies for vehicle body innovative design. And it has great academic and scientific value for car design theories.

针对车身轻量化设计当中的"载荷多领域特性"、"材料多本构特性"、"模型多学科特性"等特点，提出载荷驱动的多材料组合车身多学科拓扑优化方法。通过该方法将车身设计过程中涉及的载荷特性的获取手段及数学描述方法、多种材料的优化分配与组合理论、车身多学科拓扑优化的建模与并行求解方法等有机的结合起来，形成一个系统完整、实用成熟的设计体系。用来寻求在一定载荷和约束条件下汽车车身的最佳材料布局及结构连接方式，是一种真正的载荷驱动的多学科车身结构设计方法。将为车身创新设计提供新的理论、方法和关键技术。对完善汽车设计理论、推动车身结构创新方法的发展具有重要的学术意义和显著的科学价值。

本课题以轻量化设计为目标，研究了多材料组合的复杂汽车车身的结构优化设计理论及方法。主要工作包括以下几个部分：（1）由于载荷是确定车身结构设计的最根本因素。悬架作为连接车身和车轮的重要总成，是车身动态载荷的主要来源。本课题建立了一种基于实验和分析模型相综合的悬架载荷分析模型。该模型不含橡胶轮胎且考虑了衬套六向非线性刚度的悬架系统模型和悬架系统力--位移平衡方程，给出了悬架系统球铰和衬套力的计算公式，使计算得到的悬架铰接点的力更加真实准确，且较传统的半理论分析方法计算效率得到了提升。（2）提出了3D设计空间多材料组合结构的多学科拓扑优化方法，解决了多种材料在三维空间的布置和分配问题。该方法在求解效率上优于目前流行的“交替激活双相材料算法（Alternating Active-Phase Algorithm）”,且由于其本身采用多学科优化方法，较适合用于求解车身结构优化的多工况问题。（3）基于Matlab开发了多材料车身结构拓扑优化原型系统。（4）将该方法应用于三江纯电动井下指挥车车身设计、矿用车车架优化设计，取得了一定的经济效益。通过本课题的研究初步形成了一套载荷驱动的汽车车身最佳材料布局及结构连接方式的多学科结构设计方法。