車身概念設計及結構優化的案例
MADYMO在車身結構概念設計方面的應用
在車身開發早期階段，可以應用MADYMO多剛體車身模型 (Frame model)進行多種設計方案的對比，以便盡早發現并解決設計缺陷。在DV和PV階段，進行FE模擬。
對于現有車型，可以利用MADYMO Frame model發現車身結構存在的問題，尋找改進方案。
同時，由于MADYMO Frame model的計算效率明顯優于FE model, 可用于platform 車型的結構優化。由于技術保密等原因，很少有公開發表的論文。
MADYMO Frame model的缺點是：建模難度大、周期長。一般需要有經驗的工程師3個月的時間，才能建立一個validated frame model。
下文是韓國大宇的一篇論文，詳細介紹Frame model在Frontal impact中的應用。
1999-01-0072_MADYMO_frame_model.pdf
展開 【JY】結構概念設計之（隔震概念設計）
一、抗震與隔震概述
在地震過程中，造成人員傷亡和財產損失的主要原因是建筑結構的
破壞和倒塌（樓板落地是倒塌的標志）
。因此，要減少或避免地震災害的重要途徑是增加建筑結構的抗震能力，使建筑結構在地震作用下少倒塌或是不倒塌。為了實現這一目標，
傳統的抗震理論是通過增加建筑結構剛度和強度，并保障結構延性儲備，依靠自身強度和塑性變形吸收地震能量，使建筑結構在大震作用下不倒塌。
可見傳統的抗震結構是通過結構和結構構件來抵抗并消耗地震能量的，設計時將地震作用作為一種外加荷載，與作用在結構上的其他荷載進行組合來設計和驗算結構是否滿足設計和使用要求。
結構概念設計文章可看：
【JY|理念】結構概念設計之(結構體系概念)
【JY|理念】結構概念設計之(設計理念進展)
然而，在烈度較高地區或是安全級別較高的建筑物，采用傳統的抗震方法較難滿足要求，即便滿足安全要求，也會犧牲建筑功能或是其他要求(如傳統結構設計的醫院，在大震后幾乎喪失了救助能力)。
而隔震和消能減震技術則提供一條新的抗震途徑。尤其是隔震技術，經歷過實際地震檢驗，可以有效的減輕地震作用，提升工程抗震能力，對保護人民生命財產安全、減輕震害具有明顯的經濟效益和社會效益。隔震結構則增加了專門的變形和耗能裝置：橡膠隔震支座和阻尼器（如鉛阻尼器、油阻尼器、鋼棒阻尼器、粘彈性阻尼器、滑板支座等），橡膠隔震支座具有提供豎向承載能力、彈性復位能力、良好的變形能力等特性，此外鉛芯橡膠隔震支座同時還具有消耗地震能量的耗能特性。
展開 結構優化在車身剛度性能優化中的應用
車身是汽車行駛運動過程中的主要承載體。車身由大量的部件構成，結構復雜，工作條件也十分復雜。主要的工作載荷包括：驅動慣性力，制動慣性力，轉向慣性力，不平路面激勵力和動力結構載荷等等。如果車身結構設計中剛度設計不足，則車身的振動頻率會引起結構共振，進而引起結構連接的強度失效（產生塑性變形），進而導致車門、窗框、背門框等變形過大。最終導致車門卡死、玻璃破碎、密封失效、漏氣漏水等問題。分析車身的剛度，改進車身結構設計，提高車體剛度是非常重要。
車身性能開發金字塔的最底層是消費者最易感知的性能，即操穩性能，而操穩性能直接相關的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉剛度、區域剛度是和車身操穩性能相關的，因此車身扭轉剛度的性能目標應該滿足操穩性能要求，也應該由操穩性能需求來定義。）
通常更高的車身剛度性能對于操穩、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說為了提升上述相關性能可以過度提高剛度性能呢？當然不是，剛度性能提升是要滿足結構最優化設計原則，即通過結構優化設計來提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來提升剛度性能。在提升剛度性能時還要考慮輕量化要求，只有通過結構優化設計才能夠在滿足剛度性能要求時，同時滿足動力經濟性的要求。
結構優化包括拓撲優化、形狀優化等方法在優化車身性能中具有非常重要的作用。拓撲優化可以合理優化材料分布，識別車身結構薄弱點。形狀優化進一步優化零部件結構形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達、歐寶等車型開發過程中拓撲優化在結構性能優化中的案例。
展開 建筑結構抗震設計的核心：概念設計
結構設計者應該使抗震概念設計貫穿于結構設計的整個過程，不斷思考、不斷創新，同時把握好設計的大原則，這樣才能保證設計成果的科學性和嚴謹性。
來源：土木檢測
設計仿真 | 直播預告-白車身鈑金零件設計及成本優化
減少原材料浪費降低材料成本，減少設計更改縮短研發周期等，這些降本增效的行為已成為當前工作中的重中之重。
海克斯康工業軟件FTI-FormingSuite作為沖壓行業成本管理優化、早期成形性分析及工藝分析智能解決方案的先行者，具有成熟完善的軟件系統，基于同步工程和DFM的科學方法，建立了一套貫穿零件設計至工藝規劃全過程的鈑金/沖壓件成型性分析評估和材料利用率優化的標準化軟件分析平臺，為全球客戶帶來領先的鈑金件產品設計和成本優化解決方案。
本次直播，將針對鈑金零件影響成本因素、設計源頭優化、材料成本優化、沖壓工藝設計和模具成本計算等方面展開詳細講解，歡迎預約報名！
12月14日 14:00
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立即預定
直播內容聚焦
?? 鈑金零件影響成本的關鍵因素
?? 設計可制造性分析
?? 鈑金零件材料成本優化
?? 沖壓工藝設計和模具成本計算
?? 批量計算系統
在早期研發設計階段的決策能夠決定70%的產品成本
曹力豐
海克斯康工業軟件技術專家
具有豐富的沖壓分析經驗，熟悉白車身設計開發及成本構成，已完成多個項目的可行性優化分析及降本工作，帶領團隊在多個大型主機廠成功運行RSES解決方案。
展開 車身結構局部拓撲指導結構設計實例
4.定義目標
體積分數最小
5.優化結果
經過迭代，查看優化結果在門檻后段出現支撐結構。可以對此處進行方案設計
6.結果解讀
在對應位置增加加強板，扭轉剛度增加1153 Nm/°，拓撲優化有效指導了扭轉剛度方案。
基于拓撲優化的車身結構研究
本文采用上文提到的方法，對該車型結構進行剖析。
3.1 研究對象及結構包絡
圖2顯示為該SUV車型的結構模型，經過適當處理，產生圖3的結構包絡模型，可以用該結構包絡進行后面的結構拓撲分析。該結構包絡模型完全包含了原結構的布置空間，材料為普通鋼材。考慮到整車在前后碰撞過程中需要縱向剛度比較好，將前后縱梁以及后輪罩直接設定為非設計空間，其余網格均作為設計空間。
3.2 工況
車身在實際使用過程中承受非常復雜的載荷，這些載荷對車身的影響各不相同，有的影響局部，有的影響整個車身。在實際研發過程中，不可能對所有可能的工況進行考察，而且，不同的設計階段，考察的指標也不相同。在概念設計階段，更重要的是保證車身的總體結構剛度，避免后期產生較大變更，導致項目延期或者增加較多的開發成本。本文主要考察某SUV車型結構布置特點，因此，主要考慮NVH以及碰撞兩個方面的工況。其具體考察工況如下表1所示，4個NVH工況，主要考察整體剛度以及前后端的彎曲性能；4個碰撞方面的工況，主要考察車身承受不同方向的撞擊。
對于NVH類的工況，其導致的車身變形都是非常小的，所以，在拓撲優化過程中，不需要考慮結構失效問題。而Safety工況對車身的影響都是大變形、非線性的，還有接觸力存在。考慮到前后縱梁作為非設計空間，可以看做是剛度很硬的結構，這樣對車身其他部位而言，Safety工況的影響將限定在線性范圍內。因此，在進行車身拓撲優化的時候，上述工況均作為小變形來處理。
展開 基于拓撲優化的車身結構研究
本文采用上文提到的方法，對該車型結構進行剖析。
3.1 研究對象及結構包絡
圖2顯示為該SUV車型的結構模型，經過適當處理，產生圖3的結構包絡模型，可以用該結構包絡進行后面的結構拓撲分析。該結構包絡模型完全包含了原結構的布置空間，材料為普通鋼材。考慮到整車在前后碰撞過程中需要縱向剛度比較好，將前后縱梁以及后輪罩直接設定為非設計空間，其余網格均作為設計空間。
3.2 工況
車身在實際使用過程中承受非常復雜的載荷，這些載荷對車身的影響各不相同，有的影響局部，有的影響整個車身。在實際研發過程中，不可能對所有可能的工況進行考察，而且，不同的設計階段，考察的指標也不相同。在概念設計階段，更重要的是保證車身的總體結構剛度，避免后期產生較大變更，導致項目延期或者增加較多的開發成本。本文主要考察某SUV車型結構布置特點，因此，主要考慮NVH以及碰撞兩個方面的工況。其具體考察工況如下表1所示，4個NVH工況，主要考察整體剛度以及前后端的彎曲性能；4個碰撞方面的工況，主要考察車身承受不同方向的撞擊。
對于NVH類的工況，其導致的車身變形都是非常小的，所以，在拓撲優化過程中，不需要考慮結構失效問題。而Safety工況對車身的影響都是大變形、非線性的，還有接觸力存在。考慮到前后縱梁作為非設計空間，可以看做是剛度很硬的結構，這樣對車身其他部位而言，Safety工況的影響將限定在線性范圍內。因此，在進行車身拓撲優化的時候，上述工況均作為小變形來處理。
展開 基于拓撲優化的車身結構研究
而前期工程
階段，如何布置出合理的車身骨架架構，一直是個相對空白的地帶，也是整車正向開發過程
中繞不過的坎。盡管研發工程師根據經驗，參照現有車型的結構特點，也能進行車身骨架架
構的設定，但總是缺乏有效手段直觀地反映不同車型結構布置的特點。本文用拓撲優化的方
法，從結構基本特征的角度來審視這一問題，并運用該方法對某SUV 車身結構進行研究，獲
得一些直觀性的結論。
瞿元_基于拓撲優化的車身結構研究.pdf
客車車身結構優化及車內噪聲分析
一方面運用有限元、人工神經網絡及遺傳算法的有效結合對客車車身的結構優化分析進行了有益的嘗試，對汽車的優化技術有較強的理論與實踐意義。另一方面，為客車車內噪聲尤其是低頻噪聲控制尋求新韻途徑，有較強的工｛曼實用意義。對ＣＡＥ技術在汽車領域的運用有一定的參考價值。
客車車身結構優化及車內噪聲分析.pdf
結構優化設計分析系列（三）：APDL在Workbench中的優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 
實際工作中車身結構膠優化(原創實例)
結構膠對于車身扭轉剛度及模態有明顯的提升作用，但是由于成本的限制不可能每一處都要布置結構膠，因此，需要對結構膠的位置進行優化，在關鍵的位置布置結構膠。
1.首先在車身上打滿結構膠，彈性模量為1800Mpa，后續會對結構膠的參數進行篩選。
2.定義優化變量，選擇結構膠的Prop即可
3.由于是在車身上布膠，因此需要定義左右對稱
4.定義響應，此處只針對扭轉剛度進行分析，響應選擇體積分數和應變能
5.定義約束，體積分數最大0.3
6.定義目標
7.提交計算后，經過7個迭代步，分析，查看優化結果，紅色位置是需要布置的
8.對比分析：打滿結構膠、優化結構膠，可以發現，優化的結構膠有效的提升了性能
9.通過HyperStudy對結構膠參數進行篩選，將結構膠單獨放在一個include文件中，定義參數化模板
10.定義完畢后，新建HST，選擇參數化文本
11.定義源文件、求解器輸入文件名稱、選擇求解器
12.定義完畢模型后，點擊導入設計變量，在明細一欄中，定義離散變量Discrete，然后定義變量取值，此處共定義了20個離散值。
13.提交作業，完成模型計算，顯示成功才說明模型完成計算，但還要檢查是否產生成h3d結果文件，成功不到表真正計算成功。
14.確認成功后，可以定義響應。通過提取點的位移，然后通過公式換算得到剛度值
15.定義完畢后，可以創建DOE，選擇結構膠變量，選擇輸出的響應，因為已經定義了20個離散值，選擇取樣方法時，定義取樣數量，然后對矩陣進行編輯即可。然后進入下一步提交作業，計算每個樣本點，自動獲取響應值，省去了單獨計算提取結果的麻煩。
展開 白車身焊點優化設計（原創工程實例）
1 工程背景
白車身一般有4000-6000個焊點，如何合理地設計焊點的數量及位置，對降低產品成本，提高結構的綜合性能具有重要的意義。近幾年，某些主機廠利用拓撲優化的方法對焊點布局的優化進行了很多研究，并在新產品開發中取得明顯的效果。
2 案例介紹
某款白車身在設計中后期，設計工程師依據結構及工藝經驗，完成焊點布置的設計。到項目的該階段，白車身剛度、模態、安全性能基本滿足設計要求，但項目部要求進一步優化產品成本構成。于是虛擬試驗部將前期對焊點優化的研究技術應用到該車型的設計中。設計部依據仿真優化的結果，將焊點數量由5630降到5248，減少382個焊點，綜合節省成本約40元。焊點優化效果如下圖，其中藍色焊點代表可去除點：
3 模型設置
白車身焊點拓撲優化過程，包括變量定義，約束條件、優化目標等關鍵步驟。
（1）優化分析工況：
①扭轉工況：約束后減震器安裝點全部自由度，前減震器安裝點連線中點Z向平動自由度；前減震器安裝點施加3000N.M。
②彎曲工況：用RBE2抓取各減震器的安裝點，約束各主點的相應自由度；在左右門檻梁對應與B柱中心的位置，用RBE2抓取3*3或2*4個單元格。用RBE2抓取這兩個RBE2的主節點，形成剛連，在最后生成的主節點上施加Z向的-3000N的力。
③模態工況：新建EIGRL卡片，提取10-80Hz范圍內的無約束自然模態頻率。
（2）變量定義
在定義焊點變量前，首先對焊點分區，把不同區域的焊點進行分區管理，同區域的焊點具有相同的顏色，分區效果如圖所示，不同區域的焊點在優化過程中區別控制。
（3）優化約束
彎曲剛度＞設計值；扭轉剛度＞設計值；模態頻率＞設計值。
（4）優化目標：焊點數量最少。
展開 結構優化設計分析系列（四）：模態分析優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 結構優化設計分析系列（二）：熱固耦合優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
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