CN109726506A - 一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法。本发明以汽车保险杠面罩总质量作为目标函数，以位移作为约束，面罩厚度作为设计变量对保险杠面罩进行尺寸优化设计。本发明要求最终优化结果除了满足收敛条件之外，还需满足位移约束条件，优化结果更准确。除此之外，本发明仅计算位移最大所在时间步的等效静态载荷，不需要计算所有时间步的等效静态载荷，计算效率较高。本发明采用matlab对上述所有功能集成，实现自动化求解，除了基本的模型前处理之外，不需要再打开有限元软件对模型进行求解，运行程序直接调用相关求解器求解，操作方便。

Description

一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法。

背景技术

在传统结构优化设计中，静态线性优化设计发展得较为成熟，而生活中许多机械结构承受的载荷是动态的，且结构本身可能具有非线性特性，传统的静态线性优化方法难以应用于这种动态非线性优化问题中。因此，可以采用等效静态载荷法，将动态非线性优化问题转换为计算较容易的静态线性优化问题。

工程领域中，碰撞是较为常见的现象，如汽车保险杠的低速碰撞。碰撞过程中，结构受到的载荷具有动态特性。因此，在考虑碰撞安全性的基础上对结构进行优化，即为一种动态非线性优化问题。目前国内对此类研究较少，通常是基于静态载荷对结构进行优化，或者仅凭经验进行设计，这种结果准确性较差。而直接对结构进行动态非线性优化设计较为困难。因此，本发明提供一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法，计算效率较高，且结果更为准确。

发明内容

本发明提供一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法，能够有效解决板件在考虑碰撞安全性进行尺寸优化过程中的动态非线性问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用三维软件Catia设计汽车保险杠面罩几何模型；

步骤二、利用有限元软件Hypermesh对步骤一的几何模型进行网格划分，并赋予材料和属性；

步骤三、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，添加摆锤刚体有限元模型，用来撞击汽车保险杠面罩，导出碰撞分析模型求解文件即.k文件；

步骤四、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，对所有节点添加ASET类型约束，导出刚度求解文件即.fem文件；

步骤五、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，添加设计变量b即面罩厚度、位移约束g以及目标函数即面罩总质量F，导出优化模型求解文件即.fem文件；

步骤六、运用matlab自带的system函数自动开启LS-dyna求解器并对步骤三中的碰撞分析模型进行求解，即对保险杠面罩进行动态非线性分析，自动求解保险杠面罩低速碰撞模型，并输出包含有每个时间步位移信息的文件即nodout文件，搜寻位移最大所在的时间步t_max，提取此时间步的位移信息z_N(t_max)；

步骤七、判断步骤六中位移是否满足位移约束g_j(b,z)≤0，其中z为位移约束值，同时判断本次循环的设计变量b_k与上次循环的设计变量b_k-1之差是否满足收敛条件|b_k-b_k-1|≤ε，其中，ε为收敛系数，若同时满足，输出此时面罩厚度，若不满足，进行下一步；

步骤八、运用matlab自带的system函数自动开启optistruct求解器并对步骤四中的刚度分析模型进行求解，自动求解刚度分析模型，输出包含有刚度信息的文件即.pch文件，并转换成刚度矩阵K_L(b)，刚度矩阵K_L(b)与面罩厚度b有关；

步骤九、将步骤六输出的位移信息和步骤八输出的刚度矩阵相乘，计算位移最大所在时间步的等效静态载荷公式如下：

步骤十、运用matlab将步骤九计算的等效静态载荷作为外载荷输入到步骤五的优化模型求解文件即.fem文件中，生成完整的优化模型求解文件即.fem文件；

步骤十一、运用matlab自带的system函数自动开启optistruct求解器对步骤十生成的优化模型进行求解，即对保险杠面罩进行静态线性优化，输出包含有更新后设计变量的文件即.desvar文件,提取更新后的设计变量；

步骤十二、将更新后的设计变量输入步骤三的碰撞分析模型求解文件即.k文件、步骤四的刚度求解文件即.fem文件与步骤五的优化模型求解文件即.fem文件，覆盖原有的厚度信息；

步骤十三、循环操作步骤六-十二，直到满足步骤七的条件，优化结束。

所述的步骤十中完整的优化模型如下：

Find b

Min F(b,z)

g_j(b,z)≤0(j＝1,2,3…l)

b_iL≤b_i≤b_iU(i＝1,2,3…m)

其中，b为设计变量，表示保险杠面罩厚度；F为目标函数，表示保险杠面罩总质量；z为位移约束数值；K_L(b)为刚度矩阵，是关于面罩厚度b的函数；z_L(s_max)为载入等效静态载荷进行线性分析产生的节点位移；s_max为位移最大所在时间步所对应的工况；g_j(b,z)为位移约束条件，l表示位移约束总数量；b_iL表示设计变量b_i下限，b_iU表示设计变量b_i上限，m为设计变量总个数。

本发明的有益效果为：

本发明以汽车保险杠面罩总质量作为目标函数，以位移作为约束，面罩厚度作为设计变量对保险杠面罩进行尺寸优化设计。本发明适用于在考虑低速碰撞安全性时，以位移作为约束，对板件进行尺寸优化的动态非线性优化问题，通用性较强。除此之外，本发明仅计算位移最大所在时间步的等效静态载荷，不需要计算所有时间步的等效静态载荷，将多工况外载荷优化问题简化为单工况外载荷优化问题，计算效率较高。本发明要求最终优化结果除了满足收敛条件之外，还需满足位移约束条件，避免最终运用更新后的设计变量进行静态线性分析的结果满足位移约束条件，而动态非线性分析的结果不满足位移约束条件，优化结果更准确。本发明采用matlab对上述所有功能集成，实现自动化求解，除了基本的模型前处理之外，不需要再单独打开有限元软件对模型进行求解，而是运行程序直接调用相关求解器求解，操作方便。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

具体实施方式

等效静态载荷的基本原理如下：

在有限元理论中，结构动态非线性分析的控制方程为：

其中b为设计变量，表示保险杠面罩厚度，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，表示加速度向量，表示速度向量，z_N(t)表示位移向量。下标N表示响应由非线性分析获得。t的下标表示时间步，q为总时间步，f(t)表示第t个时间步的外载荷。

根据等效静态载荷的计算原理，基于位移响应的等效静态载荷即：在每个时间步，产生与动态非线性分析相同位移响应的，针对静态线性分析的静态载荷。因此，基于位移的等效载荷的计算如下：

其中，位移z_N(t)可根据式(1)求得，即进行动态非线性分析获得。下标L表示线性分析，记号s与t严格对应，即一个时间步对应一个静态工况。K_L(b)为线性静态刚度矩阵，可进行线性静态分析获得。由式(2)可知，该等效静态载荷等于线性刚度矩阵K_L(b)与动态位移向量z_N(t)的乘积。

若将上述计算得到的等效静态载荷作为线性静态分析的外载荷，则线性静态分析方程变为：

每一静态分析工况下得到的各个节点静态位移向量z_L(s)与式(2)中对应时刻节点非线性动态分析得到的位移向量z_N(t)相等。如果把等效静态载荷在静态线性响应优化中作为多工况外载荷施加于结构上，那么基于等效载荷的线性静态响应优化设计能够得到与非线性动态响应优化相同的位移响应。此外，优化过程中，静态线性响应优化中的设计变量、目标函数和约束条件等都应与动态非线性响应优化中的相同。

本发明旨在提供一种优化方法，对受到撞击的保险杠面罩进行尺寸优化。其中以结构总质量作为目标函数，以位移作为约束，通过不断的迭代优化提出保险杠面罩的最优厚度尺寸。

本发明以汽车保险杠面罩为例，基于等效静态载荷对其进行尺寸优化，具体步骤如下：

步骤一、利用三维软件Catia设计汽车保险杠面罩几何模型；

步骤二、利用有限元软件Hypermesh对步骤一的几何模型进行网格划分，并赋予材料和属性；

步骤三、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，添加摆锤刚体有限元模型，用来撞击汽车保险杠面罩，导出碰撞分析模型求解文件即.k文件；

步骤四、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，对所有节点添加ASET类型约束，导出刚度求解文件即.fem文件；

步骤五、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，添加设计变量b即面罩厚度、位移约束g以及目标函数即面罩总质量F，导出优化模型求解文件即.fem文件；

步骤六、运用matlab自带的system函数自动开启LS-dyna求解器并对步骤三中的碰撞分析模型进行求解，即对保险杠面罩进行动态非线性分析，并输出包含有每个时间步位移信息的文件即nodout文件，搜寻位移最大所在的时间步t_max，提取此时间步的位移信息z_N(t_max)；

步骤七、判断步骤六中位移是否满足位移约束g_j(b,z)≤0，其中z为位移约束值，同时判断本次循环的设计变量b_k与上次循环的设计变量b_k-1之差是否满足收敛条件|b_k-b_k-1|≤ε，其中，ε为收敛系数，若同时满足，输出此时面罩厚度，若不满足，进行下一步；

步骤八、运用matlab自带的system函数自动开启optistruct求解器并对步骤四中的刚度分析模型进行求解，输出包含有刚度信息的文件即.pch文件，并转换成刚度矩阵K_L(b)，刚度矩阵K_L(b)与面罩厚度b有关；

步骤九、将步骤六输出的位移信息和步骤八输出的刚度矩阵相乘，计算位移最大所在时间步的等效静态载荷公式如下：

步骤十、运用matlab将步骤九计算的等效静态载荷作为外载荷输入到步骤五的优化模型求解文件即.fem文件中，生成完整的优化模型求解文件即.fem文件；

所述的步骤十中完整的优化模型如下：

Find b

Min F(b,z)

g_j(b,z)≤0(j＝1,2,3…l)

b_iL≤b_i≤b_iU(i＝1,2,3…m)

其中，b为设计变量，表示保险杠面罩厚度；F为目标函数，表示保险杠面罩总质量；z为位移约束数值；K_L(b)为刚度矩阵，是关于面罩厚度b的函数；z_L(s_max)为载入等效静态载荷进行线性分析产生的节点位移；s_max为位移最大所在时间步所对应的工况；g_j(b,z)为位移约束条件，l表示位移约束总数量；b_iL表示设计变量b_i下限，b_iU表示设计变量b_i上限，m为设计变量总个数。

步骤十一、运用matlab自带的system函数自动开启optistruct求解器对步骤十生成的优化模型进行求解，即对保险杠面罩进行静态线性优化，输出包含有更新后设计变量的文件即.desvar文件,提取更新后的设计变量；

步骤十二、将更新后的设计变量输入步骤三的碰撞分析模型求解文件即.k文件、步骤四的刚度求解文件即.fem文件与步骤五的优化模型求解文件即.fem文件，覆盖原有的厚度信息；

步骤十三、循环操作步骤六-十二，直到满足步骤七的条件，优化结束。

Claims (2)

1.一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用三维软件Catia设计汽车保险杠面罩几何模型；

步骤二、利用有限元软件Hypermesh对步骤一的几何模型进行网格划分，并赋予材料和属性；

步骤三、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，添加摆锤刚体有限元模型，用来撞击汽车保险杠面罩，导出碰撞分析模型求解文件即.k文件；

步骤四、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，对所有节点添加ASET类型约束，导出刚度求解文件即.fem文件；

步骤五、利用有限元软件Hypermesh对步骤二的网格有限元模型进行前处理，添加设计变量b即面罩厚度、位移约束g以及目标函数即面罩总质量F，导出优化模型求解文件即.fem文件；

步骤六、运用matlab自带的system函数自动开启LS-dyna求解器并对步骤三中的碰撞分析模型进行求解，即对保险杠面罩进行动态非线性分析，自动求解保险杠面罩低速碰撞模型，并输出包含有每个时间步位移信息的文件即nodout文件，搜寻位移最大所在的时间步t_max，提取此时间步的位移信息z_N(t_max)；

步骤七、判断步骤六中位移是否满足位移约束g_j(b,z)≤0，其中z为位移约束值，同时判断本次循环的设计变量b_k与上次循环的设计变量b_k-1之差是否满足收敛条件|b_k-b_k-1|≤ε，其中，ε为收敛系数，若同时满足，输出此时面罩厚度，若不满足，进行下一步；

步骤八、运用matlab自带的system函数自动开启optistruct求解器并对步骤四中的刚度分析模型进行求解，自动求解刚度分析模型，输出包含有刚度信息的文件即.pch文件，并转换成刚度矩阵K_L(b)，刚度矩阵K_L(b)与面罩厚度b有关；

步骤九、将步骤六输出的位移信息和步骤八输出的刚度矩阵相乘，计算位移最大所在时间步的等效静态载荷公式如下：

步骤十、运用matlab将步骤九计算的等效静态载荷作为外载荷输入到步骤五的优化模型求解文件即.fem文件中，生成完整的优化模型求解文件即.fem文件；

步骤十一、运用matlab自带的system函数自动开启optistruct求解器对步骤十生成的优化模型进行求解，即对保险杠面罩进行静态线性优化，输出包含有更新后设计变量的文件即.desvar文件,提取更新后的设计变量；

步骤十二、将更新后的设计变量输入步骤三的碰撞分析模型求解文件即.k文件、步骤四的刚度求解文件即.fem文件与步骤五的优化模型求解文件即.fem文件，覆盖原有的厚度信息；

步骤十三、循环操作步骤六-十二，直到满足步骤七的条件，优化结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于等效静态载荷法的汽车保险杠面罩尺寸优化方法，其特征在于，所述的步骤十中完整的优化模型如下：

Find b

Min F(b,z)

g_j(b,z)≤0(j＝1,2,3…l)

b_iL≤b_i≤b_iU(i＝1,2,3…m)

其中，b为设计变量，表示保险杠面罩厚度；F为目标函数，表示保险杠面罩总质量；z为位移约束数值；K_L(b)为刚度矩阵，是关于面罩厚度b的函数；z_L(s_max)为载入等效静态载荷进行线性分析产生的节点位移；s_max为位移最大所在时间步所对应的工况；g_j(b,z)为位移约束条件，l表示位移约束总数量；b_iL表示设计变量b_i下限，b_iU表示设计变量b_i上限，m为设计变量总个数。