车联网大数据驱动的铝合金车架多级拓扑优化设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.12.018

摘要/Abstract

摘要：

为提高电动商用车轻量化水平，本文提出了一种车联网大数据驱动的铝合金车架多级多工况拓扑优化设计方法。首先，分析车联网大数据得到工况比例确定客观权重，通过层次分析法得出主观权重。接着，采用博弈论方法综合两者并采用折衷规划法归一化处理各工况，建立多工况拓扑优化目标函数。然后以某牵引车铝合金车架作为研究对象，利用SIMP变密度惩罚法进行车架第1级总体多工况拓扑优化设计，得到了横梁的数量和相对位置信息。最后，通过多体动力学模型提取各纵、横梁间的多工况载荷，对车架进行了第2级横梁断面拓扑优化，得到了横梁的断面形状。研究结果显示，拓扑优化后，在性能提升的前提下，车架实现了31.4%的轻量化。

关键词: 铝合金车架, 多级拓扑, 轻量化, 权重系数, 车联网大数据

Abstract:

In order to improve the lightweight level of electric commercial vehicles， in this paper a multi-level and multi-condition topology optimization design method is proposed for the aluminum alloy frame driven by Internet of Vehicles （IoV） big data. Firstly， the big data of the IoV is analyzed to obtain the proportion of working conditions to determine the objective weight， and the subjective weight is obtained through the Analytic Hierarchy Process （AHP）. Subsequently， a game theory approach integrates these weights through compromise programming to normalize conditions， establishing a multi-condition topology optimization objective function. Then， taking an aluminum alloy frame of a tractor as the research object， the Solid Isotropic Material with Penalization （SIMP） method is used to carry out the overall multi-condition topology optimization design of the first level of the frame， and the number and relative position information of the beams are obtained. Finally， the multi-body dynamic model is used to extract the multi-condition loads between the longitudinal and cross beams， and the second level cross beam section topology optimization is carried out on the frame， leading to the extraction of the cross-section shape of the cross beam. The results show that after topology optimization， the weight of the frame is reduced by 31.4% on the premise of performance improvement.

Key words: aluminum alloy frame, topology optimization, lightweight, weight coefficient, internet of vehicles big data

孟子皓,王登峰,张小朋,倪烨楠,王永飞,王伟光. 车联网大数据驱动的铝合金车架多级拓扑优化设计[J]. 汽车工程, 2025, 47(12): 2459-2466.

Zihao Meng,Dengfeng Wang,Xiaopeng Zhang,Yenan Ni,Yongfei Wang,Weiguang Wang. Multi-Level Topology Optimization Design of Aluminum Alloy Vehicle Frames Driven by Internet of Vehicles Big Data[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(12): 2459-2466.

图/表 20

图1

图2

图3

表1

表2

表3

图4

图5

表4

表5

各工况柔度值"

工况	$C k m i n$ /（ N·mm）	$C k m a x$ /（ N·mm）
弯曲	4 385.50	7 806.04
扭转	6 053.68	9 817.18
转向	3 612.63	7 515.11
制动	3 776.59	6 063.35

表5

图6

图7

图8

表6

图9

图10

图11

图12

表7

表8

参考文献 14

[1]	中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见［N］.人民日报，2021-10-25（001）.
	Opinions of the CPC Central Committee and the State Council on the complete， accurate and comprehensive implementation of the new development concept to do a good job in carbon peaking and carbon neutralization［N］. People's Daily， October 25， 2021（001）.
[2]	刘福建.碳中和下商用车发展趋势［J］.时代汽车，2024（11）：22-24.
	LIU F. Development trend of commercial vehicles under carbon neutrality［J］. Auto Time， 2024（11）： 22-24.
[3]	LI S， ZHOU D， PAN A. Integrated lightweight optimization design of wall thickness， material， and performance of automobile body side structure［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2024， 67（6）： 95.
[4]	LI S， WANG D， WANG S， et al. Structure-connection-performance integration lightweight optimisation design of multi-material automotive body skeleton［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2023， 66（9）： 198.
[5]	LIU J， LUO L， XIAO X， et al. Multi-objectives topology optimization of frame in an electric mining dump truck based on fuzzy satisfaction variable weight coefficients method［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2022， 36（6）： 3059-3069.
[6]	谷先广，陈红林，俞陆新，等.精密铸铝件一体化设计及在车身轻量化中的应用［J］.汽车工程， 2024， 46（1）：179-186.
	GU X， CHEN H， YU L， et al. Integrated design of precision cast aluminum parts and its application in body lightweight［J］. Automotive Engineering， 2024， 46（1）： 179-186.
[7]	兰凤崇，赖番结，陈吉清，等.考虑动态特性的多工况车身结构拓扑优化研究［J］.机械工程学报， 2014， 50（20）：7.
	LAN F， LAI F， CHEN J， et al. Research on topology optimization of multi condition body structure considering dynamic characteristics［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（20）： 7.
[8]	QIAO J， XU F， WU K， et al. Multi-objective topological optimization of an electric truck frame based on orthogonal design and analytic hierarchy process［J］. IEEE Access， 2020， 8： 140923-140935.
[9]	郭立新，周宏扬.车架结构二次拓扑优化设计与性能分析［J］.东北大学学报（自然科学版）， 2017， 38（7）：5.
	GUO L， ZHOU H. Secondary topology optimization design and performance analysis of frame structure［J］. Journal of Northeastern University（Natural Science）， 2017， 38（7）： 5.
[10]	苏永雷，张志飞.副车架静刚度修正方法及多层级拓扑优化［J］.汽车工程， 2023， 45（11）：2157-2164.
	SU Y， ZHANG Z. Subframe static stiffness correction method and multi-level topology optimization［J］. Automotive Engineering， 2023， 45（11）： 2157-2164.
[11]	ZHANG Z， WANG D， MENG Z， et al. Big data-driven load spectrum measurement and lightweight optimization for aluminum alloy truck frames［J］. Measurement Science and Technology， 2025.
[12]	高强，王健，张严，等.拓扑优化方法及其在运载工程中的应用与展望［J］.机械工程学报， 2024， 60（4）：369-390.
	GAO Q， WANG J， ZHANG Y， et al. Topology optimization method and its application and prospect in carrier engineering［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2024， 60（4）： 369-390.
[13]	ZHOU E L， WU Y， LIN X Y， et al. A normalization strategy for BESO-based structural optimization and its application to frequency response suppression［J］. Acta Mechanica， 2021， 232： 1307-1327.
[14]	LIAN F， WANG D， XU W， et al. Multi-objective optimization design of a battery pack system for crashworthiness and lightweight based on a submodel and hybrid weighting method［J］. Engineering Optimization， 2024： 1-19.

标度	重要程度
1	两种工况相比，具有同样的重要性
3	两种工况相比，前者比后者略微重要
5	两种工况相比，前者比后者明显重要
7	两种工况相比，前者比后者极其重要
1/3	两种工况相比，前者比后者略微不重要
1/5	两种工况相比，前者比后者明显不重要
1/7	两种工况相比，前者比后者极其不重要

工况	特征向量	权重值	λ_max
弯曲	0.669	0.12	4.237
扭转	2.943	0.53
转向	1.627	0.29
制动	0.312	0.06

约束点	弯曲	扭转	转向	制动
a	2，3	2，3	2，3	2，3
b	2，3		2，3	2，3
c	2，3	2，3	2，3	2，3
d	2，3		2，3	2，3
e~l	1，2，3	1，2，3	1，2，3	1，2，3
惯性载荷	无	无	0.6g 侧向惯性力	0.4g 制动惯性力
动载荷系数	2	1.5	1.5	1.5

工况	F_x /N	F_y /N	F_z /N
弯曲	-232.39	1 599.28	5 388.84
扭转	-782.11	909.24	-5 993.91
转向	2 501.61	10 479.03	5 341.42
制动	-3 331.40	756.03	4 174.48

工况	弯曲	扭转	转向	制动
对标车架/mm	2.46	10.61	4.31	3.69
铝合金车架/mm	2.181	9.503	3.560	4.150
变化情况/%	-11.34	-10.43	-17.40	+12.46