CN103218501A - 一种适用于连接结构的离散优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于连接结构的离散优化设计方法，该方法主要通过建立碰撞有限元模型；然后确定优化目标、约束条件和待优化设计变量并构建三水平正交表；之后通过数值仿真计算得到各目标响应值并获得修正响应值；最后通过综合评分值来对最优解进行合理选取。本发明方法能够解决遗传算法调用正问题的次数过多以及近似模型方法所构建的响应面为连续空间和精度低等缺点，是一种高精度、高效率的离散优化设计方法，特别适用于变量多且水平多的连接结构离散优化设计问题。本发明能够进一步合理的指导连接结构设计，提高连接结构性能。

Description

一种适用于连接结构的离散优化设计方法

技术领域

本发明主要涉及汽车车身轻量化及结构设计领域，特指一种连接结构的离散优化设计方法。

背景技术

汽车行业的发展迅速，汽车行业对燃油消耗、安全等方面要求日益提高。随着环境的日渐污染，各国政府对于汽车减排也是越来越关注，其中汽车轻量化作为降低汽车油耗的重要途径得到了广泛关注。

在车身的结构中同一零件的不同位置要求的性能不同，在某些位置上造成了材料的浪费。通过采用机械紧固、粘结剂粘接和焊接/熔接等方式，将不同厚度的相同材料连接或者不同厚度或相同厚度的不同材料连接，以满足零部件对材料性能的不同要求，实现车身的轻量化。多种材料构成的连接件已被广泛的应用于车身部位，最新研究结果表明：最新型的车身结构中，50％采用了连接件，因此如何合理搭配连接件的材料和厚度对提高材料的利用率和降低汽车车身重量具有十分重要的意义。

连接结构的设计是一个非线性、多变量和多目标的优化设计过程，需要在满足特定约束条件下，寻求各项指标最优。传统的设计方法中，采用部件材料不断替换的方法来获得合适的材料，这一过程需要通过不断的修改和试错才能获得合适的组合，且不适用于材料和厚度水平多的情况。同时，依次对单一部件进行材料替换，忽略了各部件之间的相互影响。

虽然随着离散优化的不断发展，采用NGSA-II等遗传算法通过将离散变量连续化之后获得相应问题的Pareto解，再根据设计要求选取最优解。但是这类方法调用正问题次数过多，对于大规模计算问题计算量过大，计算时间久，失去了工程意义。而采用代理模型方法来代替正问题，代理模型的拟合精度直接影响优化结果，并且代理模型所构建的响应面为连续空间，同时代理模型不能真实的反应各材料本身的特性。在连接结构的优化设计过程中，找到一种快速有效的方法达到连接结构的最优设计，对于工程师来说非常重要。

发明内容

本发明的目的是解决传统试错替换方法准确性差，忽略了部件之间和材料厚度之间的交互影响以及遗传算法调用正问题次数过多，代理模型方法具有误差且所构造的响应面为连续空间等问题。该方法能够实现连接结构的最优设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方法：一种适用于连接结构的离散优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1：通过前处理软件HyperMesh建立相应的有限元模型，并通过试验验证该模型的有效性；

步骤2：确定优化设计目标、约束，并确定离散设计变量及各设计变量空间；

步骤3：采用三水平正交表进行优化设计，确定初始设计水平，确定方法为：Level2为初始设计，Level1与Level3分别为Level2相邻的备选值。针对设计变量个数确定相应的三水平正交表；

步骤4：采用仿真软件Ls-dyna对正交表各样本点进行仿真计算，得到各响应的仿真值。采用罚函数法将各约束值附加至各目标值上，得到各目标的修正响应值，具体计算方法为：

$R_{\mathrm{new}}=R+P\left(x\right)$

$P\left(x\right)=s\×\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\max [0,v_i]$

式中：R为响应值，R_new为修正响应值，P(x)为惩罚函数，v_i为第i个约束的罚值，s为罚因子。

并通过加权评分值方法获取各样本点的综合评分值，加权评分值计算方法为:

$Y_j=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i$

优化设计目标要求最小：

优化设计目标要求最大：

优化设计目标要求特值：

式中：j为试验号；i为指标序号；b_i为第i个指标的权值；Y_j为第j次试验的综合评分；y_ji为第j次试验的第i项指标值；y_0i为基准试验的第i项指标值；y₀为优化特定值；k为指标个数；

步骤5：采用ANOM方法即计算各因素的1、2、3水平对应的试验结果之和的平均值，获得该迭代步的最优设计结果；

步骤6：判定设计目标是否满足（1）连续5个最优设计结果没有提高（2）迭代次数达到最大，默认最大迭代数为2nmax（nmax为最大备选水平总数）。若满足条件则得到最终设计结果，若不满足条件则对各变量设计空间进行移动，确定第n+1次正交设计的初始设计为第n次正交设计的最优结果，并回到步骤3。

本发明的有益效果是：

1、采用本发明提出的多目标连续正交方法，能够获得连接结构的最优设计结果。所得最优设计结果能够在满足约束条件下使得性能达到最优，降低连接结构的开发成本和周期。

2、本发明提出的多目标连续正交方法计算过程直接调用正问题，因此能够较好的反应各材料的特性。同时由于其迭代次数少以及适用于多目标等特性，相比遗传算法、代理模型方法等能够更好的解决连接结构设计问题。

3、该方法能够同时考虑材料和厚度的交互特性，使得材料和厚度同时达到最优设计。

附图说明

图1为本发明的一种适用于连接结构的离散优化设计方法流程图。

图2为拼焊板台车正面碰撞有限元模型。

图3为拼焊板设计变量。

图4为优化设计迭代过程。

具体实施方式

下面以拼焊板的离散优化设计为例进行详细说明。

图1示出了本发明的一种适用于连接结构的离散优化设计方法的流程图。本发明的一种适用于连接结构的离散优化设计方法包括如下步骤：

步骤1：采用Hypermesh建立拼焊板的台车正面碰撞有限元模型，如图2所示，确定碰撞速度为15m/s。

步骤2：选定优化设计目标及相应权值，如表1所示，约束条件为比吸能（SEA）不小于10.5（KJ/KG）。

表1：

指标	部件质量之和	前围板侵入量
			权值	1	1
目标	最小	最小

选取如图3所示拼焊板设计变量，根据需求选取各设计变量备选材料及厚度如表2所示。

表2：

设计变量	变量范围
		部件1材料	DP500DP590TR590TR690DP780DP980
部件2材料	DP500DP590TR590TR690DP780DP980
		部件3材料	DP500DP590TR590TR690DP780DP980

部件4材料	DP500DP590TR590TR690DP780DP980
		部件1厚度	1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0
部件2厚度	1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0
		部件3厚度	1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0
部件4厚度	1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0

步骤3：确定正交设计水平分别为：Level2为初始设计，Level1与Level3分别为Level2相邻的备选值。由于设计变量总共有8个，选取L₂₇(3⁸)正交表，该正交表包含27个样本点8因素，每个因素有三个水平。

步骤4：采用仿真软件Ls-dyna对正交表各样本点进行仿真计算，得到各响应的仿真值。采用罚函数法将各约束值附加至各目标值上，得到各目标的修正响应值，具体计算方法为：

$R_{\mathrm{new}}=R+P\left(x\right)$

$P\left(x\right)=s\×\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\max [0,v_i]---\left(1\right)$

式（1）中：R为响应值，R_new为修正响应值，P(x)为惩罚函数，v_i为第i个约束的罚值，s为罚因子。

并通过加权评分值方法获取各样本点的综合评分值，加权评分值计算方法为：

$Y_j=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i$

优化设计目标要求最小：

优化设计目标要求最大：

优化设计目标要求特值： $T_i=b_i\frac{|y_{0i}-y_0|}{{|y}_{\mathrm{ji}}-y_0|}---\left(2\right)$

式（2）中：j为试验号；i为指标序号；b_i为第i个指标的权值；Y_j为第j次试验的综合评分；y_ji为第j次试验的第i项指标值；y_0i为基准试验的第i项指标值；k为指标个数。

由于拼焊板离散优化设计问题的设计目标均为要求最小因此仅需采用公式（3）：

$Y_j=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\frac{y_{0i}}{y_{\mathrm{ji}}}---\left(3\right)$

选取初始设计为基准试验，第一轮迭代试验结果如表3所示。

表3：

试验号	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	综合评分值
										1	1	1	1	1	1	1	1	1	1.35927509
2	1	1	1	1	2	2	2	2	1.34591144
										3	1	1	1	1	3	3	3	3	1.317685861
4	1	2	2	2	1	1	1	2	1.467208441

5	1	2	2	2	2	2	2	3	1.425158938
										6	1	2	2	2	3	3	3	1	1.446255108
7	1	3	3	3	1	1	1	3	1.471402537
										8	1	3	3	3	2	2	2	1	1.497266305
9	1	3	3	3	3	3	3	2	1.485445906
										10	2	1	2	3	1	2	3	1	1.964165688
11	2	1	2	3	2	3	1	2	1.993852312
										12	2	1	2	3	3	1	2	3	1.872064994
13	2	2	3	1	1	2	3	2	1.660490098
										14	2	2	3	1	2	3	1	3	1.876321502
15	2	2	3	1	3	1	2	1	1.867356833
										16	2	3	1	2	1	2	3	3	2.007139244
17	2	3	1	2	2	3	1	1	1.860121593
										18	2	3	1	2	3	1	2	2	1.928320008
19	3	1	3	2	1	3	2	1	1.642723485
										20	3	1	3	2	2	1	3	2	1.537134924
21	3	1	3	2	3	2	1	3	1.934170513
										22	3	2	1	3	1	3	2	2	1.554568366
23	3	2	1	3	2	1	3	3	1.591563683
										24	3	2	1	3	3	2	1	1	1.815176396

25	3	3	2	1	1	3	2	3	1.642290512
										26	3	3	2	1	2	1	3	1	1.786932607
27	3	3	2	1	3	2	1	2	2.167361

步骤5：采用ANOM方法通过计算各因素的1、2、3水平对应的试验结果之和的平均值，如表4所示。

表4：

	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8
									k1	1.4240	1.6630	1.6422	1.6693	1.6410	1.6535	1.7717	1.6933
k2	1.8922	1.6338	1.7517	1.6942	1.6571	1.7574	1.6417	1.6823
									k3	1.7413	1.7607	1.6636	1.6939	1.7593	1.6466	1.6441	1.6820

选取其中值最大的水平进行仿真计算，并与正交试验结果比较选取最优水平，最终第一个迭代步最优设计结果如表5所示。

表5：

设计变量	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8
									选取水平	2	3	2	2	3	2	1	1

步骤6：判定设计目标是否满足（1）连续5个最优设计结果没有提高；（2）迭代次数达到最大，默认最大迭代数为16。若满足条件则得到最优结果，若不满足条件则对各变量设计空间进行移动，设计空间移动方法为第n+1次正交设计的初始设计为第n次正交设计的最优水平，并返回步骤3开始下一轮正交设计。最终拼焊板优化设计迭代过程如图4所示，其连续5个最优设计结果没有提高，因此认为收敛。最优设计与初始设计结果见表6所示，优化设计目标及约束条件对比结果见表7所示。从表6和表7可以看出采用本发明所示方法使得拼焊板性能得到显著提升。

表6：

设计变量	初始设计	最优设计
			部件1材料	DP590	TR690
部件2材料	DP590	TR690
			部件3材料	DP780	DP780
部件4材料	DP780	DP590
			部件1厚度	1.5	1.7
部件2厚度	1.5	1.1
			部件3厚度	1.5	1.2
部件4厚度	1.5	1.2

表7：

Claims (9)

1.一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立相应的有限元模型，并通过试验验证该模型的有效性；

步骤2：确定优化设计目标和约束，并确定离散优化设计变量及各设计变量的取值空间；

步骤3：采用三水平正交表进行优化设计，针对设计变量个数确定初始设计水平和相应三水平正交表；

步骤4：对正交表各样本点进行仿真计算，得到各响应的仿真值，将各约束值附加到各目标值，得到修正响应值，并通过计算得到各样本点的综合评分值；

步骤5：获得该迭代步的最优设计结果；

步骤6：判定设计目标是否满足迭代判定条件，若满足迭代判定条件则得到最终设计结果，若不满足条件则对各变量设计空间进行移动，并回到步骤3。

2.如权利要求1所述的一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于：所述步骤1中利用前处理软件Hypermesh来建立所述的有限元模型。

3.如权利要求1所述的一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于：所述步骤3中三水平正交表中各个设计变量的三个水平值作如下规定，即：Level2为初始设计，Level1与Level3分别为Level2相邻的备选值。

4.如权利要求1所述的一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于：所述步骤4采用商业软件LS-DYNA进行仿真计算并得到各个响应的仿真值。

5.如权利要求1所述的一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于：所述步骤4通过采用罚函数法将各约束值附加至各目标值上，得到各目标的修正响应值，具体计算方法为：

$R_{\mathrm{new}}=R+P\left(x\right)$

$P\left(x\right)=s\×\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\max [0,v_i]$

式中：R为响应值，R_new为修正响应值，P(x)为惩罚函数，v_i为第i个约束的罚值，s为罚因子。

6.如权利要求1所述的一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于：所述步骤4采用加权评分值方法获取各样本点的综合评分值，加权评分值计算方法为

$Y_j=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i$

优化设计目标要求最小：

优化设计目标要求最大：

优化设计目标要求特值：

式中：j为试验号；i为指标序号；b_i为第i个指标的权值；Y_j为第j次试验的综合评分；y_ji为第j次试验的第i项指标值；y_0i为基准试验的第i项指标值；y₀为优化特定值；k为指标个数。

7.如权利要求1所述的一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于：所述步骤5中该迭代步下最优设计结果的选取采用ANOM方法，其计算方法为计算各因素的1、2、3水平对应的试验结果之和的平均值。

8.如权利要求1所述的一种基于多目标连续正交方法的汽车车身材料匹配方法，其特征在于：所述步骤6的迭代判定条件为：（1）连续5个最优设计结果没有提高；（2）迭代次数达到最大，默认最大迭代数为2nmax，其中nmax为最大备选水平总数。

9.如权利要求1所述的一种适用于连接结构的离散优化设计方法，其特征在于：所述步骤6的对各变量设计空间进行移动的方法为，第n+1次正交设计的初始设计为第n次正交设计的最优结果。

Images