作者：浩荡的秋天
拓扑优化是根据给定的载荷条件、约束条件和性能指标，优化给定区域内材料分布的数学方法，是一种结构优化。如今，在汽车或其他行业中，拓扑优化技术的应用越来越广泛，尤其是在产品设计的早期阶段，在多目标、多工况的条件下，可以研究单个结构件(如摆臂)、白车身、整车等的拓扑优化。通过拓扑优化，可以找到关键的传力路径和关键区域。
一、拓扑分析的相关基础
1.目的：快速识别BIW或地方系统的薄弱环节。在产品开发前期或后期的过程中，如果员工经验不足，对于不合格的结构，往往无法快速找出结构设计中存在的问题，更谈不上提出有效的改进方案。基于这种情况，有必要利用拓扑技术来识别车身结构的薄弱区域。
2.范围：薄弱区域可从单部件车身系统TB车辆中识别。这种方法可以执行许多属性，如刚度、模式、碰撞、NTF、VTF、道路噪声等。
3.过程：定义设计空间，定义分析模型，定义优化的三个要素(如目标、响应和约束等)。)，求解、计算、解释拓扑结果，验证拓扑优化方案。
图1拓扑优化分析过程
二.拓扑优化案例(简介)
如果前期有白车身，需要通过拓扑优化技术对车身整体刚度和模态进行优化分析，具体步骤如下：
1.目的：通过分析车身整体模态和刚度，利用拓扑优化技术，识别车身结构相对薄弱的区域。
2.工况：(1)弯扭刚度分析条件；
(2)弯曲和扭转模态分析条件；
3.目标函数：(1)响应：包括弯曲刚度、扭转刚度、扭转模态、弯曲模态、综合应变能等。(2)约束条件：弯曲刚度大于15000N/mm，扭转刚度大于18000nm/deg，扭转模态大于45Hz，弯曲模态大于50Hz，体积分数小于0.2。(3)目的：综合应变能最小。
三.拓扑优化步骤
1.定义设计空间：选择下部车身的包络区域作为设计空间。基于Hm软件，meshShrink Wrap Meshelems(设置相关参数)选择所需的拓扑区域Mesh。拓扑和非拓扑区域通过纽带连接。
图2拓扑区域生成(红框)
2.定义设计空间材料：如果20mm的填充体相当于2mm AL左右，则填充体的弹性模量约为7000MPa，尽量不产生附加质量。
3.定义分析条件：如弯扭刚度条件、弯扭模态条件等。
4.定义优化函数：包括响应、约束和目标等。通常在分析车身工况时，需要考虑工况之间的权重。
图3刚度响应的定义(摘要)
图4加权应变能的定义
图5体积分数的定义
图6约束定义
图7目标函数的定义
四.拓扑优化结果的解释
通过拓扑优化计算，在给定条件下，可以通过拓扑结果识别出相对薄弱的区域和关键的传力路径，为产品开发和结构优化提供极其重要的参考。
1.拓扑结果视图
图8拓扑优化结果
通过反复迭代计算，从拓扑优化的结果可以看出，以下几个位置需要加强：
1.前纵梁区域、a柱下部的门框和门槛梁区域；
2.后纵梁的面积以及门槛梁和后轮罩之间的连接位置等。
2.目标函数的迭代收敛图
通过多次迭代，可以看出目标函数在给定条件下趋于收敛。
图9目标函数迭代收敛图
图9刚度迭代收敛图
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基于拓扑优化技术，对BIW进行了多工况多目标拓扑优化，得到了关键传力路径和区域，对前期开发和后期优化具有一定的指导意义，也可以不受经验限制，提出合理的结构改进方案和思路。拓扑学的应用前景将越来越广阔，其价值将得到极大的体现。