esl法在汽车结构优化设计中的应用

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1、学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：赵礼辉日期：2009年2月2日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授

2、权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。√（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：赵礼辉指导教师签名：刘长虹日期：2009年2月2日日期：2009年2月2日上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1研究的背景和意义当今，汽车行业的竞争越来越激烈。这就需要生产商不断提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，并保证汽车的安全性，以提高汽车产品在市场上的竞争能力。

3、因此，各大汽车生产商都致力于汽车整车及零部件的优化设计，以实现汽车的轻量化以及提高舒适性和安全性。近几年来结构优化设计的发展状况表明，结构优化设计的理论和方法已经在汽车行业得到广泛的应用，如发动机、底盘、车身各主要组成部分的优化设计等，使汽车产品的性能和水平得到了很大地提高。并且，通过结构的优化设计，减少或消除反复设计-样品试制-测试-改进设计-再试制的重复循环，进而缩短设计周期以及消除样件重复试制的成本，提高产品的性能，节约整车的研发成本。因此，汽车的结构优化设计具有重要的意义。现代结构优化,主要指数值结构优化或

4、计算机结构优化,其研究内容是把数学规划理论与力学分析方法结构起来,以计算机为工具,建立一套科学的、系统的、可靠而[1]又高效的方法和软件,自动地改进和优化受各种条件限制的承载结构设计。来实现以最少的材料、最低的造价和最简单的工艺实现结构性能最优的目标。结构优化设计大体上可分为三步：第一阶段是建立数学模型，把一个工程结构的设计问题转变为一个数学问题；第二阶段是选择一个合理有效的计算方法；第三阶段是基于该计算方法及相关计算机软件，完成设计计算。它的发展经历了三个阶段：截面尺寸优化(SizeOptimization)﹑几

5、何形状优化(ShapeOptimization)和结构拓扑优化(TopologyOptimization)。1.尺寸优化。以结构截面尺寸作为设计变量，在以有限元方法作为结构分析手段时采用常规单元(例如杆件截面积、梁元截面尺寸、膜或板壳单元的厚度等等)的几何变量作为参数，以降低结构重量、充分发挥材料的机械性能为优化设计目标。在结构强度、刚度等约束下的寻优过程中，由于设计参数是以有限元中杆单元或梁单元的截面尺寸、板壳单元厚度等为变量，最优解的搜索过程不改变有限元网格模型。所以，它是一种效率很高的方法。但是由于设计变量过

6、于单一，仅为一些几何尺寸，限制了它的广泛应用。2.几何形状优化。主要研究如何确定连续体结构的边界形状或内部结构，诸如杆系结构的节点位置优化。连续体结构形状优化设计中，设计变量是目标中控制微分方程的定义区域，即形成所谓可动边界问题。但是，只有在特别简单的区域形状中，才第1页上海交通大学硕士学位论文第一章绪论能对给定区域形状和边界条件的微分方程得到解析解。因此，实现连续体结构的形状优化的问题并没有真正得到解决。3.拓扑结构优化。拓扑优化研究构件相互联接方式,结构内去除部分材料,使结构能在满足有关平衡、应力和位移等约束条

7、件下按照最佳承载路径分布，既安全承载，又使结构的某种性态指标达到最优。随着其理论和方法的逐渐丰富与完善以及计算机技术的飞速发展，结构拓扑优化设计取得前所未有的发展，成为了国际上最前沿的优化设计方法之一。国外汽车结构优化设计的研究从上个世纪90年代开始，目前已经取得很大的成效；国内在近几年也取得了很大的进展。LiangshengWang，ProdyotK.Basu，Juan[2]PubloLeiva结合拓扑优化和尺寸优化对汽车车身进行优化设计，在满足车身刚度[3]要求的前提下得到新的结构。Bong-sooKim在应力

8、约束下对汽车前悬架控制臂进行[4]形状优化设计，改善了控制臂的应力分布情况。LeeNakKyu对发动机等零部件进[5]行了结构优化设计。朱正礼，殷成良，张建武利用遗传算法对电动轿车动力传动系的主要部件进行结构优化，大大的提高了电动车的性能。王建，张鲁邹，程耿东，郭[6]旭在应力约束下，利用板壳结构的尺寸优化方法代替汽车车架的拓扑优化，改进了[7]车架的结构。