CN108595787A - 一种frp防撞梁结构/材料协同优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，属于汽车零部件优化技术领域，该方法同时采用防撞梁的零部件结构优化与防撞梁材料优化进行协同优化，利用MATLAB调用ANSYS软件，用APDL语言实现后台计算模型应力，根据计算模型应力求解最优模型，进行结构优化，采用MATLAB创建FRP防撞梁材料参数，根据材料参数，在ANSYS中对FRP防撞梁层合板进行铺层参数设定，进行材料优化。本发明以选材和结构参数为变量，同时考虑零部件宏观结构优化与微观材料优化两因素，对零部件进行协同优化，以此达到生产结构要求。

Description

一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法

技术领域

本发明涉及一种防撞梁优化方法，特别是涉及一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，属于汽车零部件优化技术领域。

背景技术

防撞梁作为汽车车辆中重要的安全装置，用来减轻车辆受到碰撞时吸收碰撞能量，由主梁、吸能盒，连接汽车的安装板组成，主梁、吸能盒都可以在车辆发生低速碰撞时有效吸收碰撞能量，尽可能减小撞击力对车身纵梁的损害，防撞梁主梁和吸能盒利用金属的塑性变形产生压溃，将内能转化为变形能，吸收掉一部分汽车碰撞时的动能，由于复合材料中层合板铺层材料、铺层角度、铺层厚度选择多样，且在本发明的结构设计中2个控制点坐标位置不定，属于离散变量优化问题，而遗传算法，对于解决这类离散变量寻优问题有明显优势。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，为了解决目前在汽车零部件优化设计中结构与材料不能协同优化的问题。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，该方法同时采用防撞梁的零部件结构优化与防撞梁材料优化进行协同优化，利用 MATLAB调用ANSYS软件，用APDL语言实现后台计算模型应力，根据计算模型应力求解最优模型，进行结构优化，采用MATLAB创建FRP防撞梁材料参数，根据材料参数，在ANSYS中对FRP防撞梁层合板进行铺层参数设定，进行材料优化。

进一步的，结构优化包括如下步骤：

步骤1：采用B样条曲线构造防撞梁模型，通过改变其控制顶点坐标，来改变其结构参数，改变防撞梁外形结构；

步骤2：采用MATLAB创建关于结构参数的随机初始种群；

步骤3：根据初始种群中的结构参数，完成有限元建模；

步骤4：对有限元模型施加约束与载荷后，进行有限元分析与计算，输出相应应力至txt文件；

步骤5：输入应力值到MATLAB中，使用经典层合板强度理论中蔡-吴张量理论，建立关于防撞梁结构的强度的关系，并得出强度比R；

步骤6：构建适应度函数，基于适应度对种群进行选择、交叉、变异、重组操作。

进一步的，所述步骤2中，采用二进制种群对防撞梁进行参数设置。

进一步的，所述步骤2中，分别用2位二进制表示防撞梁层合板每层铺层角度。

进一步的，所述步骤2中，用3位二进制表示结构参数x1。

进一步的，所述步骤2中，用5位二进制表示结构参数x2。

进一步的，所示步骤6中，具体包括如下步骤：

步骤61：根据强度比R取值，构建适应度函数；

步骤62：基于适应度函数对旧种群进行选择操作，保留较优解；

步骤63：对余下个体，基于适应度进行交叉、变异操作，生成新种群；

步骤64：对新种群重新构建有限元模型，并计算适应度，基于适应度进行重组操作，确保较优解不会在交叉、变异过程中被去掉；

步骤65：重复上述步骤直至最大迭代次数MAXGEN；

步骤66：输出每一代的结构参数、材料参数、目标函数值，并画出相应的迭代次数与目标函数值的图像。

本发明的有益技术效果：按照本发明的FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，本发明提供的FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，以选材和结构参数为变量，同时考虑零部件宏观结构优化与微观材料优化两因素，对零部件进行协同优化，利用MATLAB调用ANSYS软件，用APDL语言实现后台计算模型应力，快速求解最优的模型，以此达到生产结构要求。

附图说明

图1为按照本发明的FRP防撞梁结构/材料协同优化方法的一优选实施例的结构/材料协同优化流程图；

图2为按照本发明的FRP防撞梁结构/材料协同优化方法的一优选实施例的基于MATLAB与ANSYS的协同优化流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

在本实施例中，图1为结构/材料协同优化流程图，图2为基于 MATLAB与ANSYS的协同优化流程图。

如图1和图2所示，本实施例提供的一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，该方法同时采用防撞梁的零部件结构优化与防撞梁材料优化进行协同优化，利用MATLAB调用ANSYS软件，用APDL 语言实现后台计算模型应力，根据计算模型应力求解最优模型，进行结构优化，采用MATLAB创建FRP防撞梁材料参数，根据材料参数，在ANSYS中对FRP防撞梁层合板进行铺层参数设定，进行材料优化。

进一步的，结构优化包括如下步骤：

步骤1：采用B样条曲线构造防撞梁模型，通过改变其控制顶点坐标，来改变其结构参数，改变防撞梁外形结构；

步骤2：采用MATLAB创建关于结构参数的随机初始种群，采用二进制种群对防撞梁进行参数设置，分别用2位二进制表示防撞梁层合板每层铺层角度，用3位二进制表示结构参数x1，用5位二进制表示结构参数x2；

步骤3：根据初始种群中的结构参数，完成有限元建模；

步骤4：对有限元模型施加约束与载荷后，进行有限元分析与计算，输出相应应力至txt文件；

步骤5：输入应力值到MATLAB中，使用经典层合板强度理论中蔡-吴张量理论，建立关于防撞梁结构的强度的关系，并得出强度比R；

步骤6：构建适应度函数，基于适应度对种群进行选择、交叉、变异、重组操作，具体包括如下步骤：

步骤61：根据强度比R取值，构建适应度函数；

步骤62：基于适应度函数对旧种群进行选择操作，保留较优解；

步骤63：对余下个体，基于适应度进行交叉、变异操作，生成新种群；

步骤64：对新种群重新构建有限元模型，并计算适应度，基于适应度进行重组操作，确保较优解不会在交叉、变异过程中被去掉；

步骤65：重复上述步骤直至最大迭代次数MAXGEN；

步骤66：输出每一代的结构参数、材料参数、目标函数值，并画出相应的迭代次数与目标函数值的图像。

在本实施例中，采用二进制种群对防撞梁进行参数设置，分别用 2位二进制表示防撞梁层合板每层铺层角度(0、1、2、3分别代表－ 45°、0°、45°、90°铺层角度)，用1位二进制表示防撞梁选用材料(0、1分别代表采用芳纶纤维、玻璃纤维复合材料)，用3位二进制表示结构参数x1，用5位二进制表示结构参数x2(x1、x2分别代表B样条中的控制顶点坐标值)；

在本实施例中，B样条曲线构造，结合防撞梁的几何尺寸确定B 样条的首位点坐标0(0，0)，A(1000，100)，P1(0，x1)，P2(x2， 100)，由步骤1中种群输出x1、x2数值，构建B样条曲线，节点坐标值输出至txt文件；

对于给定参数u轴上的一个分割U＝{u_i}(u_i≤u_i+1)，(i＝0,1,2,...,m)，由下列递推关系定义的N_i,p(u)称为U的p次(p+1阶)B样条基函数，即

规定

设P₀,P₁,...,P_n为给定空间的n+1个控制顶点，U＝{u₀,u₁,...,u_m}是 m+1个节点矢量，则B样条曲线为

这边采用三次均匀B样条曲线进行建模，则其基函数如公式(4) 所示，

在本实施例中，ANSYS拟合B样条曲线，构建有限元模型，ANSYS软件中通过txt文件输入B样条节点坐标，构建关键点，通过自带的bsplin命令进行样条曲线拟合，形成B样条，将防撞梁截面延B样条曲线进行扫略，完成有限元建模，施加约束及载荷，进行有限元分析与计算，输出相应单元应力至 txt文件；

在本实施例中，MATLAB计算防撞梁强度，调用步骤3中输出至txt文件的单元应力，根据强度准则进行强度计算，这边采用蔡-吴(E.M.Wu)张量理论的强度比公式：

(F₁₁σ² ₁₊2F₁₂σ₁σ₂+F₂₂σ² ₂+F₆₆τ² ₁₂)R²+(F₁σ₁+F₂σ₂)R-1＝0 (3)

其中：F₁₁、F₁、F₂₂、F₂、F₆₆、F₁₂均为强度参数；

X_t为纵向拉伸强度，X_c为纵向压缩强度，Y_t为横向拉伸强度，Y_c为横向压缩强度；

步骤5：构建遗传算法适应度函数，根据步骤4得到每层强度比，构建适应度函数，F＝R_min-1，记为可以继续加载的许用应力倍数；

步骤6：遗传算法优化操作，经过选择算法、交叉算法、变异算法、重组算法操作，实现遗传优化过程，具体步骤如下：

步骤6.1：选择算法，基于步骤5中构建的适应度值，select命令按照适应度对旧种群进行选择(适应度值越大，越容易被选择留下)，形成新种群；

步骤6.2：交叉算法，对步骤6.1中形成的种群，按照单点交叉命令xovsp进行交叉，交配的对是有序的，即奇行与它下一个偶行配对，若种群行数为奇行数，则最后一行不参加配对，以一定的交叉概率进行交叉，形成新的种群；

步骤6.3：变异算法，对于步骤6.2中形成的种群，按照离散变异命令mut进行变异，种群中每个个体以一定的变异概率进行变异，形成新的种群；

步骤6.4：重组算法，在步骤6.3中形成的种群，由于6.1中选择操作，使得种群规模变下，这边利用重插入算子reins命令，使得种群规模恢复至原始值；

步骤6.5：重组后的种群，重新按照步骤1、2、3、4、5、6循环，直至最大迭代次数gen＝MAXGEN停止，结束编程。

在本实施例中，本实施例中，同时考虑零部件宏观结构优化与微观材料优化两因素，对零部件进行协同优化，过程中利用MATLAB 调用ANSYS软件，用APDL语言实现后台计算模型应力，快速求解最优的模型，以此达到生产结构要求。

综上所述，在本实施例中，按照本实施例的FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，本实施例提供的FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，运用遗传算法的知识，同时以选材和结构参数为变量，先改变零部件结构，将变化后的结构作为微观材料优化过程时的模型进行遗传优化，采用保留精英策略，每次优化后计数器加一，直至最大迭代次数结束，同时考虑零部件宏观结构优化与微观材料优化两因素，对零部件进行协同优化，过程中利用MATLAB调用ANSYS软件，用APDL 语言实现后台计算模型应力，快速求解最优的模型，以此达到生产结构要求。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，其特征在于，该方法同时采用防撞梁的零部件结构优化与防撞梁材料优化进行协同优化，利用MATLAB调用ANSYS软件，用APDL语言实现后台计算模型应力，根据计算模型应力求解最优模型，进行结构优化，采用MATLAB创建FRP防撞梁材料参数，根据材料参数，在ANSYS中对FRP防撞梁层合板进行铺层参数设定，进行材料优化。

2.根据权利要求1所述的一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，其特征在于，结构优化包括如下步骤：

步骤1：采用B样条曲线构造防撞梁模型，通过改变其控制顶点坐标，来改变其结构参数，改变防撞梁外形结构；

步骤2：采用MATLAB创建关于结构参数的随机初始种群；

步骤3：根据初始种群中的结构参数，完成有限元建模；

步骤4：对有限元模型施加约束与载荷后，进行有限元分析与计算，输出相应应力至txt文件；

步骤5：输入应力值到MATLAB中，使用经典层合板强度理论中蔡-吴张量理论，建立关于防撞梁结构的强度的关系，并得出强度比R；

步骤6：构建适应度函数，基于适应度对种群进行选择、交叉、变异、重组操作。

3.根据权利要求2所述的一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，其特征在于，所述步骤2中，采用二进制种群对防撞梁进行参数设置。

4.根据权利要求3所述的一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，其特征在于，所述步骤2中，分别用2位二进制表示防撞梁层合板每层铺层角度。

5.根据权利要求3所述的一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，其特征在于，所述步骤2中，用3位二进制表示结构参数x1。

6.根据权利要求3所述的一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，其特征在于，所述步骤2中，用5位二进制表示结构参数x2。

7.根据权利要求2所述的一种FRP防撞梁结构/材料协同优化方法，其特征在于，所示步骤6中，具体包括如下步骤：

步骤61：根据强度比R取值，构建适应度函数；

步骤62：基于适应度函数对旧种群进行选择操作，保留较优解；

步骤63：对余下个体，基于适应度进行交叉、变异操作，生成新种群；

步骤64：对新种群重新构建有限元模型，并计算适应度，基于适应度进行重组操作，确保较优解不会在交叉、变异过程中被去掉；

步骤65：重复上述步骤直至最大迭代次数MAXGEN；

步骤66：输出每一代的结构参数、材料参数、目标函数值，并画出相应的迭代次数与目标函数值的图像。