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客车车顶结构拓扑优化设计

  由图5可以看出,图的下边给出了拓扑优化设计变量密度值的对比尺度,密度值为1的位置对应在密度图上的红色,表示进行结构设计时该处应该布置结构,密度值为0.001的位置对应密度图上的蓝色区域,表示进行结构设计时该处不需布置结构。以上是两类极限情况,还有一些介于两值之间的颜色区域,应当进行一些必要的处理,将其归入到两类之中去。图6就是对图5进行图像处理得出的结果,此结果是ANSYS自带的图像处理方法进行处理的。该方法的原理是取一个阈值k,在进行密度云图显示时,当密度值 <k处不显示,只有当  k处的密度云图才显示。这种方法阈值选取的人为性较大。还有一种比较可行的办法就是先对结果密度值进行线性变换,然后再对变换的结果进行以上的归类处理,这样就可大大减少人为性。

     对密度云图进行数字图像处理完全脱离图像上颜色所代表的实际意义,即不考虑密度值的问题,完全是针对图像进行处理。其原理是,先读出图像的各像素点的RGB值,然后通过一些数字图像处理函数对各像素点的颜色信息进行灰度处理、点运算、图像均衡、图像增强等一系列的处理,得到条例需要的结果图。

     以上两种方法对拓扑优化结果都能进行很好的处理,但由于ANSYS在进行拓扑优化计算后已经提供了具体的各节点的密度值,因此采用第一种方法比较方便,也比较实用。

图5 拓扑优化结果云图输出

图6  拓扑优化结果图像处理

    4.6.2拓扑优化结果分析

     在图像处理时将密度值在该图中取密度值小于0.2的区域为以后抽象新结构时的无材料分布区域,密度值大于0.2的区域为有材料区域,处理后的结果如图6所示。最优拓扑结构形式只考虑到结构的强度,结构的设计还需要满足制造工艺、装配关系等设计要求。在此基础上得到结构的初步设计参数后,还需要进一步的结构参数优化。当然从处理的结果来看得出的结构依然比较模糊,虽还不能明确给出车身骨架的纵横梁布置,但工程技术人员可以以此图为依据来合理分布横梁的位置,也可以为对原有结构进行补强提供参考。

    五、结束语 

    (1)为降低优化问题的规模,将静态分析结果作为车顶优化的约束条件,突破了传统车身优化设计理论的局限,解决了车身骨架模型复杂以及计算量大的问题。
    (2)探讨了先进的拓扑优化技术在车身设计中的应用,使用该技术对车身骨架顶棚进行了局部的拓扑优化分析,为车顶的布置和补强提供设计参考。拓扑优化方法在汽车结构初始设计过程的应用具有非常重要的理论意义和实际价值。
    (3)目前,国内在客车车身开发中采用优化技术尚处于起步阶段,可以预见随着有限元技术进一步完善和大型优化软件的推出,其应用潜力将是非常巨大的。(E-works)

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