機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化方法簡(jiǎn)析

陳添

（廣東 廣州 511300）

在現(xiàn)代汽車領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)輕量化越來越重要，尤其是隨著新能源汽車的興起，體積較大的鋰電池和較重的輪轂電機(jī)的重量占去大部分車身重量，如果在日后的生產(chǎn)中其他結(jié)構(gòu)質(zhì)量不減重，這無疑會(huì)生產(chǎn)出“超級(jí)汽車”。電池能量用在克服自身重量上比例相對(duì)增加，續(xù)航里程將會(huì)大大減少；而在航空航天領(lǐng)域中，蒙皮常常需要高的剛度來抵抗變形，通常飛行器蒙皮通常采用鋁合金和復(fù)合材料來達(dá)到輕質(zhì)化的目的，采取加厚的辦法增加抵抗變形的能力，這大大加重了結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高了發(fā)射成本。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種發(fā)展成熟，效果明顯的優(yōu)化方法，在許多領(lǐng)域中已經(jīng)應(yīng)用這種方法。在滿足位移、變形、剛度等工程實(shí)際情況的約束條件下，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)通過打孔去掉結(jié)構(gòu)上受力較小的多余材料，達(dá)到材料的合理布局減輕結(jié)構(gòu)的重量，不僅可以應(yīng)用在離散體結(jié)構(gòu)，還可以應(yīng)用到連續(xù)體的三維結(jié)構(gòu)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是最近十幾年來一種新興的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相似，但是里面的胞元結(jié)構(gòu)不同，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)里面的胞元主要由桿狀結(jié)構(gòu)組成四面體或金字塔等結(jié)構(gòu)。對(duì)于蒙皮及類似這種需要高強(qiáng)度、高剛度來滿足高溫高壓環(huán)境的重要部件來說，穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)尤為重要，而點(diǎn)陣夾心板結(jié)構(gòu)，具有低質(zhì)量，抵抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 發(fā)展與應(yīng)用

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化理論概念最早起源于20世紀(jì)初國(guó)外的michell提出的精架理論，現(xiàn)在拓?fù)鋬?yōu)化已經(jīng)在汽車領(lǐng)域中主要應(yīng)用在變速箱殼體、汽車下車身，保險(xiǎn)杠等結(jié)構(gòu)中。

同濟(jì)大學(xué)的高云凱、北京理工大學(xué)朱劍鋒等分別對(duì)轎車下車身和變速箱殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，他們先是在Hypermesh軟件中對(duì)下車身殼和變速箱殼體體建立有限元模型，高對(duì)車身按照5種不同工況加載載荷，以車身體積為做目標(biāo)函數(shù)分別進(jìn)行優(yōu)化分析，形成初步骨架，再根據(jù)可加工性，對(duì)現(xiàn)有骨架進(jìn)行改造，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。朱運(yùn)用變密度法拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)變速箱殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為了提高計(jì)算效率使用一階四面體建立有限元模型對(duì)變速箱殼體進(jìn)行分析，將各檔位的承載載荷參數(shù)加載到模型中，得出優(yōu)化成果，在前后殼體差速器輸出端布置縱向加強(qiáng)筋對(duì)優(yōu)化結(jié)果改善后得到最終模型。

優(yōu)化后下車身的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比原來的剛度提高了一倍，質(zhì)量由原來的115kg降為112kg，相對(duì)減少2．69%。彎曲工況最大應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力分別相對(duì)降低49．7%和3．13%。拓?fù)鋬?yōu)化后的變速箱殼體最終模型，總體質(zhì)量下降11．7%，使變速箱殼體表面受力均勻，不存在受力集中點(diǎn)，并且生產(chǎn)使用的材料（鋁合金）的屈服應(yīng)力大于殼體所受表面最大等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力，滿足承軸座所需剛度和硬度。

運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)材料去除了多余材料，使材料布局更加合理，有效防止機(jī)械因受力過于集中而發(fā)生形變，相對(duì)于原來的結(jié)構(gòu)抵抗形變能力大大提高，且在滿足所需剛度的同時(shí)，減輕了質(zhì)量。在汽車領(lǐng)域，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化提高了車輛的可操控性、降低了生產(chǎn)成本。提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，給底盤的合理布局提供了更大的空間，可以創(chuàng)造更寬闊的乘坐空間，因此品牌的競(jìng)爭(zhēng)力可以得到提高。

1.2 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

點(diǎn)陣的最初是由美國(guó)的麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和英國(guó)劍橋大學(xué)在2000年初提出。這種結(jié)構(gòu)相比于同等厚度的金屬泡沫結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)只是發(fā)生軸向的變形，不會(huì)出現(xiàn)彎曲變形，具有很強(qiáng)的吸能功能。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)因?yàn)槠涮厥獾陌Y(jié)構(gòu)，內(nèi)部有足夠的空間滿足散熱、通電、通液或者增加其他功能的需要，同時(shí)剛度突出。主要應(yīng)用制造非主承載類結(jié)構(gòu)，代替厚重的金屬殼體，使結(jié)構(gòu)輕量化。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分為二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，二維點(diǎn)陣為網(wǎng)狀和波紋狀；金屬三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主要包含四面體、金字塔和3D-Kagome等。二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備方法主要有：粉末注射成形、鋁型材擠壓、菱形芯體切割、波紋板滾壓、沖壓等。三位點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備方法有鋳造法、焊接組裝、增材制造三大類，如熔模鑄造、壓力鑄造、沖孔網(wǎng)沖壓、鋼板網(wǎng)折疊、三維編織、線組裝，電子書增材制造、激光增材制造。

二維點(diǎn)陣制造中，擠壓法使用鋁合金制造點(diǎn)陣機(jī)構(gòu)，用這種方法來提高結(jié)構(gòu)的整體性。組裝焊接法中的切槽法制造的點(diǎn)陣能夠快速散熱，抵抗內(nèi)壓，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。波紋板滾壓的方法在傳統(tǒng)加工方法之上進(jìn)行改善，提高了生產(chǎn)速率，改善了工作環(huán)境，但是對(duì)所加工材料有一定的限制。

隨著增材制造發(fā)展的成熟，在三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中增材制造可以制造出精密細(xì)小的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，但是成形效率較低，效率最高的方法是焊接組裝法，但是其只適用于尺寸較大的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)語

在未來的發(fā)展中，單一結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足各種復(fù)雜、多需求的工況，需要合理地材料分布來提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能。拓?fù)鋬?yōu)化方法和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是發(fā)展較為成熟，理念先進(jìn)的解決方法。

拓?fù)鋬?yōu)化作為一種運(yùn)用范圍較廣的優(yōu)化方法，將突破人們傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中橫平豎直的理念，優(yōu)化后曲面和流線的結(jié)合，類似于骨骼結(jié)構(gòu)，具有的完美受力結(jié)構(gòu)，一樣可以四兩撥千斤。不僅僅止步于汽車或者航天領(lǐng)域，還可以將其應(yīng)用于各種各樣的受力結(jié)構(gòu)，例如家具的設(shè)計(jì)，房屋墻體的結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以降低成本，還能使其外觀大大美化。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不應(yīng)僅僅單純的應(yīng)用于艙體結(jié)構(gòu)抵抗變形，在未來發(fā)展中我們應(yīng)該結(jié)合其中間為點(diǎn)陣胞元的特殊結(jié)構(gòu)來生產(chǎn)復(fù)合功能板材。例如隔音板材、防火板材、減震板材應(yīng)用于其他領(lǐng)域。毋庸置疑，以拓?fù)鋬?yōu)化和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為代表的優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)方式將引領(lǐng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的步伐。