集拓扑、形状与尺寸优化为一体的汽车零件预设计[外文翻译].doc

附件C：译文

集拓扑、形状与尺寸优化为一体的汽车零件预设计

优化设计在汽车工业取得了显著的声誉，因为其能为各种产品削减成本，减重，提高产品性能的功能。它已经成为在产品开发过程中一个很有价值的工具，而且许多CAE代码正在开发或者整合优化设计的能力到他们的产品中以满足用户的需求。拓扑、形状及尺寸优化从结构角度去改善产品性能已经得到了广泛的应用。拓扑优化探讨了约束外壳空间和设计要求在内的各种产品的最初拓扑结构。这项技术可以很容易的应用到壳体设计领域内的壳体结构或者三维实体设计领域内的三维实体结构，甚至它还能够解释说明工艺性的拓扑优化的最后结果。尽管如此，利用拓扑优化工具来探讨像壳体结构一样的三维实体设计领域仍然具有相当大的挑战性。制造业的考虑如注射成型在发展三维外壳空间壳体结构优化上的应用是另外一个大挑战，因为目前还没有任何一款有效的工具来直接解决这类问题。制造业的约束条件如挤压最近在一些商业优化代码中变的有效起来。它能在解决生产问题上提供一些帮助，但是却不能提供任何方法来解决形成的问题——壳体结构在三维实体设计领域内的发展。本文提出一种两级拓扑结构的优化方法来开发在三维实体设计领域内的壳体结构。最后从二级拓扑优化分析得出的拓扑结构设计经过设计者修改来满足设计特点。之后，形状和尺寸优化被应用在进一步的设计改善中。注射成型塑料碳罐支架被用来证明该方法。碳罐支架的主要功能是支撑碳罐、燃料箱截止阀、罐排气阀、集尘箱，支架也必须在不损失车辆任何零部件功能和不扩大裂痕的前提下满足汽车在动载荷下的耐久度要求。从一个给定的三维外壳空间看，用拓扑优化方法设计的支架设计是最理想的。产品准备设计的创建以拓扑优化的结果和取自KBE（以知识为基础的工程）图书馆的设计特征为基础。形状和尺寸优化被应用在支架设计的进一步改善工作中。最后的设计显示有比初始设计更佳的性能。CAD设计者、产品设计者、CAE设计者的共同合作在在这一设计方法的成功中扮演了关键性的角色。


术语
f =固有频率
w =权重因数
=物质密度
v =体积
a =加速度
W =重量

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Ⅰ简介
许多汽车软件已展示了使用优化设计工具的益处，能够通过其实现缩减成本目标和改善产品性能[1-5]。今天优化设计分析已经被广泛的应用于产品开发过程中，它们已经成为CAE（计算机辅助设计）软件中必须选项之一。拓扑优化[6、7]已被广泛的用来研究约束外壳空间的不同产品设计的原始拓扑结构。这项技术可以很容易的应用在壳体设计领域内的壳体结构。它也是常用来探索三维实体研究领域内的三维实体结构，甚至它还能够解释说明工艺性的拓扑优化的最后结果。尽管如此，利用拓扑优化工具来探讨像壳体结构一样的三维实体设计领域仍然具有相当大的挑战性。由于拓扑优化方法所具有的性质，在设计过程中它倾向于在关键区域收集大量的材料。从三维实体设计领域内获得壳体结构是一件不容易的事。制造业的考虑如注射成型在发展三维外壳空间的壳体结构优化上的应用是另外一个大挑战。最近，一些商用的优化代码[8,9]开发出了新的功能，通过使用拓扑优化研究不同的设计选项来解决如挤压一样的制造约束条件。这个新特色可以帮助具有相同设计意图和设计领域的应用软件解决一些制造问题 。但是，它仍然不能直接帮助解决我们刚才谈到的问题——开发三维实体领域内的壳体结构。