CN117150687B - 基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计算机软件应用，具体涉及一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法。本申请通过对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获得主盘系统的动力学仿真结果，然后根据动力学仿真结果选取影响供电受流性能综合实验台碰撞性能的设计参数；此外，确定主盘系统的优化目标和约束条件，根据设计参数、优化目标和约束条件计算最优解，然后将最优解提交至求解器进行验证，以判断其是否满足结构要求，若满足，则根据该最优解指导主盘系统的设计研发。本申请的方法在保证了结果可靠性的同时，还利用代理模型代替了原始仿真计算模型，减少整个优化设计流程中仿真计算的次数，以实现缩短了整个产品优化设计的时间的目的。
Description
技术领域
本发明涉及计算机软件应用，具体涉及一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法。
背景技术
供电受流性能综合试验台是模拟受电弓在轨道车辆运行过程中的受流情况的实验装置，通过实验研究可保证车辆在行进过程中的稳定取流，在受电弓的弓网配合方案研究中应用广泛。主盘作为直接与受电弓接触的部件，在实验过程中，做旋转及上下摆动运动，因此对其结构的稳定性及可靠性进行研究显得至关重要。
现有的主盘质量较大，以致制造及使用成本都较高，因此，目前对供电受流性能综合试验台基于结构可靠性以及稳定性的轻量化研究甚少。已有的对于供电受流性能综合试验台的性能分析及优化过程中耗时较长，且人工干预较多，使得供电受流性能综合试验台结构的稳定性以及可靠性得不到有效保证。
发明内容
本发明提供的一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，有效解决了现有技术中无法保证供电受流性能综合试验台结构的稳定性以及可靠性的问题。
根据第一方面，一种实施例中提供一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，包括：
对所述供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获取主盘系统的动力学仿真结果；所述动力学仿真结果包括运动轨迹曲线、受力情况以及模态中的至少一个；
根据所述动力学仿真结果选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数；
确定主盘系统的优化目标及约束条件；
将所述设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，以得到一组或多组最优解；
将所述一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，若是，则根据所述最优解的优先级选取其中一组最优解用于指导所述主盘系统的设计研发。
在一种能够实现的实施方式中，所述对所述供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获取主盘系统的动力学仿真结果，包括：
将轨道车辆在运行情况下受电弓与导轨之间的预设的极端运动情况作为所述多体动力学仿真的输入条件，根据所述输入条件设置所述供电受流性能综合试验台各个部件之间的连接、约束及运动情况；
将所述各个部件之间的连接、约束及运动情况作为碰撞仿真的初始条件，将所述主盘系统导入碰撞仿真软件，获取主盘在遭受不同速度、硬度、方向的外物的撞击时主盘的运动轨迹曲线、受力情况以及模态。
在一种能够实现的实施方式中，所述根据所述动力学仿真结果选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数，包括：
根据所述动力学仿真结果以及所述主盘系统的设计经验选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数；所述设计参数包括主盘的几何尺寸。
在一种能够实现的实施方式中，所述确定主盘系统的优化目标及约束条件，包括：
确定所述优化目标包括主盘的质量；
确定所述约束条件为所述主盘的表面应力、主盘与实验台连接处的应力以及主盘的一阶固有频率。
在一种能够实现的实施方式中，所述将所述设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，包括：
对所述供电受流性能综合试验台的有限元模型进行前处理，得到第一有限元计算文件；
对所述第一有限元计算文件进行解析，得到第一计算结果文件，以获取所述主盘系统的目标值，并保存所述目标值在所述第一计算结果文件中的位置；所述目标值包括主盘表面的最大应力值、主盘与试验台连接处的应力值、主盘的质量及主盘的一阶固有频率；
标记所述第一有限元计算文件中设计参数的位置，并定义所述设计参数的范围值；
在所述范围值内对所述设计参数进行采样，得到采样数据；
将标记的设计参数位置处的设计参数替换为采样数据，并生成第二有限元计算文件；
将所述第二有限元计算文件提交至求解器进行求解，以得到第二计算结果文件；
根据保存的目标值的位置，获取所述第二计算结果文件中的目标值响应值；
将所述采样数据与所述目标值响应值进行拟合，得到设计参数与目标值响应值之间的代理模型；所述代理模型包括设计参数与主盘质量的拟合模型、设计参数与碰撞时最大表面应力的拟合模型、设计参数与碰撞时主盘与试验台连接处的最大应力的拟合模型以及设计参数与主盘一阶固有频率的拟合模型；
将所述优化目标和约束条件代入所述代理模型中进行优化设计，以得到一组或多组最优解。
在一种能够实现的实施方式中，所述得到第一有限元计算文件之后，还包括：
将所述第一有限元计算文件提交至指定的求解器，以验证所述有限元计算文件的可用性；
当验证结果为正常，则输出第一计算结果文件；否则重新对所述有限元模型进行前处理，并重新对所述设计参数进行标定。
在一种能够实现的实施方式中，所述得到设计参数与目标值响应值之间的代理模型之后，还包括：
对所述代理模型的精度进行计算，选取精度高于预设值的代理模型作为优化设计的代理模型。
在一种能够实现的实施方式中，所述对所述代理模型的精度进行计算，选取精度高于预设值的代理模型作为优化设计的代理模型，包括：
以可决系数、平均绝对误差及均方根误差作为所述代理模型的评价指标，判断所述评价指标是否符合预设标准，若是，则将该代理模型作为优化设计的代理模型；否则，增加采样数据重新拟合生成新的代理模型；
其中，所述可决系数、平均绝对误差及均方根误差的表达式分别为：
；
；
；
式中，为第i个样本的预测值，y i 为第i个样本的真实值，/>为真实数据均值，n为样本量。
在一种能够实现的实施方式中，所述将所述一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，包括：
将所述第一有限元计算文件中的设计参数替换为所述最优解，以形成第三有限元计算文件；
将所述第三有限元计算文件提交至设定求解器进行求解，得到第三计算结果文件；
将所述第三计算结果文件中的计算结果与所述最优解进行差值比较，选取在预设范围内的差值所对应的一组最优解用于指导所述主盘系统的设计研发。
根据第二方面，一种实施例中提供一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化系统，包括：
仿真模块，用于对所述供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获取主盘系统的动力学仿真结果；所述动力学仿真结果包括运动轨迹曲线、受力情况以及模态中的至少一个；
参数选取模块，用于根据所述动力学仿真结果选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数；
还用于确定主盘系统的优化目标及约束条件；
快速建模和优化设计模块，用于将所述设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，以得到一组或多组最优解；
后处理模块，用于将所述一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，若是，则根据所述最优解的优先级选取其中一组最优解用于指导所述主盘系统的设计研发。
据上述实施例的一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，通过对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获得主盘系统的动力学仿真结果，然后根据动力学仿真结果选取影响供电受流性能综合实验台碰撞性能的设计参数；此外，确定主盘系统的优化目标和约束条件，根据设计参数、优化目标和约束条件计算最优解，然后将最优解提交至求解器进行验证，以判断其是否满足结构要求，若满足，则根据该最优解指导主盘系统的设计研发。通过采用本申请的优化方法，在保证了结果可靠性的同时，还利用代理模型代替了原始仿真计算模型，减少整个优化设计流程中仿真计算的次数，以实现缩短整个产品优化设计的时间的目的。其中，快速建模功能可自动参数寻优，在减少人工干预的同时可最大限度保证模型的精度，提高建模结果及优化结果的可靠性，通过采用本申请的优化方法对相关产品的前期设计研发，以及后期的优化设计具有极大的指导意义。
附图说明
图1为本申请实施例提供的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的获取动力学仿真结果的流程图；
图3为本申请实施例提供的确定主盘系统的优化目标和约束条件的流程图；
图4为本申请实施例提供的获取最优解的流程图；
图5为本申请实施例提供的判断最优解是否满足结构要求的流程图；
图6为本申请实施例提供的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化系统的结构框图。
附图标记：100、仿真模块；200、参数选取模块；300、快速建模和优化设计模块；400、后处理模块。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
如图1所示，本实施例提供的一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，包括如下步骤：
步骤100：对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获取主盘系统的动力学仿真结果；动力学仿真结果包括运动轨迹曲线、受力情况以及模态中的至少一个。
采用刚柔耦合模型对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获取关键部件在运动过程中的运动情况（位置、速度，加速度等）及受力情况。同时对其进行模态分析，获取其模态频率（模态频率需满足结构设计）。
步骤200：根据动力学仿真结果选取影响供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数。
将动力学仿真结果作为碰撞仿真的初始条件，模拟出试验台主盘系统在遭受外来撞击时的运动及受力情况，并对其强度进行校核，分析整个系统的可靠性及稳定性。
步骤300：确定主盘系统的优化目标及约束条件。
具体的，从主盘减重的优化目标出发，需要对主盘的几何尺寸进行优化，在满足主盘实验性能、模态分析要求、强度要求的前提下，尽可能减少主盘的重量。因此需要将主盘的几何尺寸（直径、厚度、角度等）作为设计变量，主盘的质量作为优化目标，主盘的应力、应变作为约束条件进行优化设计。
步骤400：将设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，以得到一组或多组最优解。
本步骤中，利用代理模型技术代替原始计算模型，进一步提升优化效率。并且使用自动参数寻优，摆脱了工程技术人员自行参数选取的局限性，最大限度提高代理模型精度，使得优化结果更准确。
同时通过快速建模及优化设计平台，实现有限元计算与优化流程一体化，在平台可完成建模及优化的一系列操作，简化操作步骤，有效提升优化效率。
步骤500：将一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，若是，则执行步骤600：根据最优解的优先级选取其中一组最优解用于指导主盘系统的设计研发；否则，返回步骤400，重新获取最优解。
本实施例提供的一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，通过对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获得主盘系统的动力学仿真结果，然后根据动力学仿真结果选取影响供电受流性能综合实验台碰撞性能的设计参数；此外，确定主盘系统的优化目标和约束条件，根据设计参数、优化目标和约束条件计算最优解，然后将最优解提交至求解器进行验证，以判断其是否满足结构要求，若满足，则根据该最优解指导主盘系统的设计研发。通过采用本申请的优化方法，在保证了结果可靠性的同时，还利用代理模型代替了原始仿真计算模型，减少整个优化设计流程中仿真计算的次数，以实现缩短整个产品优化设计的时间的目的。其中，快速建模功能可自动参数寻优，在减少人工干预的同时可最大限度保证模型的精度，提高建模结果及优化结果的可靠性，通过采用本申请的优化方法，对相关产品的前期设计研发以及后期的优化设计具有极大的指导意义。
为了研究供电受流性能综合试验台在实验条件下，遭受外来物撞击时的运动及受力情况。首先需要知道在正常实验状态下，试验台的运动曲线及受力情况，进而计算在此条件下遭受撞击时的受力及运动情况。因此需要动力学仿真软件及碰撞仿真软件进行联合仿真。具体操作如下：
结合图2所示，本实施例在步骤100中，对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获取主盘系统的动力学仿真结果，包括如下步骤：
步骤101：将轨道车辆在运行情况下受电弓与导轨之间的预设的极端运动情况作为多体动力学仿真的输入条件，根据输入条件设置供电受流性能综合试验台各个部件之间的连接、约束及运动情况。
供电受流性能综合试验台是通过其主盘系统的旋转以及上下往复运动，模拟受电弓在轨道车辆运行时的极端路况。主盘作为整个实验系统的主要关注对象，其运动情况较为复杂。如果将整个试验台进行有限元分析，将耗费大量的时间。因此，为解决此问题，本申请将主盘作为柔性体，其余部件视为刚性体，采用动力学仿真软件ADAMS进行刚柔耦合分析，以获取主盘在整个试验台运行过程中的运动轨迹曲线、受力情况以及模态。本实施例中，以轨道车辆在运行情况下受电弓与导轨之间的极端运动情况作为试验台动力学仿真的输入条件，在ADAMS中根据输入条件设置各个部件之间的连接、约束及运动情况。
步骤102：将各个部件之间的连接、约束及运动情况作为碰撞仿真的初始条件，将主盘系统导入碰撞仿真软件，获取主盘在遭受不同速度、硬度、方向的外物的撞击时主盘的运动轨迹曲线、受力情况以及模态。
具体的，将步骤101中获取的试验台主盘的运动轨迹及受力情况作为碰撞仿真的的初始条件，将主盘导入碰撞仿真软件，模拟主盘在运行状态下遭受外界一定方向和速度的物体撞击时的状况。本申请中采用LS-DYNA软件进行碰撞仿真分析，通过碰撞仿真，可获取主盘在遭受不同速度、质量、硬度、方向的外来物撞击时，主盘的受力、变形情况以及对主盘原始运行轨迹的影响程度。
本实施例在步骤200中，根据动力学仿真结果选取影响供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数，具体包括：
根据动力学仿真结果以及所述主盘系统的设计经验选取影响供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数，设计参数包括主盘的几何尺寸。
根据碰撞有限元计算结果（也即动力学仿真结果）以及试验台系统（也即主盘系统）的相关设计经验，选取出可能影响主盘系统被撞击性能的参数。根据参数的可变范围，得到参数的边界值，作为模型的参数设计范围。主盘系统的设计参数可确定为主盘的几何尺寸（厚度、直径等）。
结合图3所示，本步骤在300中，确定主盘系统的优化目标及约束条件，包括如下步骤：
步骤301：确定优化目标包括主盘的质量。
具体的，根据实际工程应用需要制定单个或多个优化目标。从主盘减重的目的出发，优化目标为主盘的质量。
步骤302：确定约束条件为主盘的表面应力、主盘与实验台连接处的应力以及主盘的一阶固有频率。
约束条件用于控制主盘最终优化结果，需满足其在运动过程中的碰撞性能。本申请中，确定主盘系统的约束条件为主盘表面应力大小、主盘与试验台连接处的应力大小和主盘的一阶固有频率。其中，主盘表面应力大小用于保证形变量在可控范围，主盘与试验台连接处的应力大小用于保证主盘与其他部件之间的连接不失效，主盘的一阶固有频率用于保证主盘在工作环境的激励频率下避免产生共振。需说明的是，固有频率有很多阶，一阶固有频率为固有频率中的其中一个，本申请中只对一阶固有频率进行相关计算。
结合图4所示，本实施例在步骤400中，将设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，包括如下步骤：
步骤401：对供电受流性能综合试验台的有限元模型进行前处理，得到第一有限元计算文件。
通过前处理软件对有限元模型中主盘的几何模型进行前处理，得到第一有限元计算文件。其中，前处理软件采用现有的软件，本实施例中的前处理软件为HyperMesh，前处理工作包括几何清理、连接创建、网格划分、定义材料属性、定义边界条件、定义输出等。碰撞仿真使用的求解器为LS-DYNA，最终输出的有限元计算文件为第一有限元计算文件。
作为本实施例的进一步改进，本申请中，在得到第一有限元计算文件之后，还包括如下步骤：
将第一有限元计算文件提交至指定的求解器进行计算，以验证有限元计算文件的可用性；当验证结果为正常，则输出第一计算结果文件；否则重新对有限元模型中主盘的几何模型进行前处理。本步骤中，对第一有限元计算文件进行计算验证，以确保限元计算文件的可用性，进而保证后续对主盘结构的设计优化方案的顺利进行。
步骤402：对第一有限元计算文件进行解析，得到第一计算结果文件，以获取主盘系统的目标值，并保存目标值在第一计算结果文件中的位置；目标值包括主盘表面的最大应力值、主盘与试验台连接处的应力值、主盘的质量及主盘的一阶固有频率。
将第一有限元计算文件导入快速建模及优化设计平台，对其进行求解，具体的，将第一有限元计算文件提交至求解器计算，得到第一计算结果文件，然后解析其结果文件，从第一计算结果文件中获取主盘系统的目标值，并保存目标值在第一计算结果文件中的位置。将用户期望的结果值定义为目标值，从而获取主盘系统的目标值，并保存目标值在结果文件中的位置。本实施例中的目标值为主盘表面的最大应力值、主盘与试验台连接处的应力值、主盘的质量及主盘的一阶固有频率。将主盘的质量设为优化目标，旨在为主盘减重。其中，主盘表面应力及连接处应力、主盘一阶固有频率为约束条件；所有应力需小于材料的屈服极限；主盘的一阶固有频率需满足企业相关标准要求，以避免共振。
步骤403：标记第一有限元计算文件中设计参数的位置，并定义设计参数的范围值。
具体的，在快速建模及优化设计平台中，打开第一有限元计算文件，文本编辑框中加载该文件内容，找到设计变量值在文件中出现的位置，并选中该变量值，将鼠标的初始位置及选中的长度作为设计参数的位置及长度。然后，在软件的参数设置窗口中输入该设计变量的下限及上限值作为该参数的取值范围。
步骤404：在范围值内对设计参数进行采样，得到采样数据。
本实施例中，优化设计平台包含拉丁超立方采样、蒙特卡洛采样等实验设计方法，指定一种实验设计方法及确定采样的样本量，即可对确定的设计参数在指定的设计范围内进行采样，进而得到采样数据（也可称为采样数据集）。本实施例中采用拉丁超立方采样，采样数据集以S(m,n)表示，式中m为样本量，n为设计参数个数。
步骤405：将标记的设计参数位置处的设计参数替换为采样数据，并生成第二有限元计算文件。具体的，将步骤403中标记的第一有限元计算文件中设计参数的位置所对应的设计参数替换为采样数据，批量生成可计算文件，也即第二有限元计算文件，然后执行步骤406。其中，生成的第二有限元计算文件会有m个。
步骤406：将第二有限元计算文件提交至求解器进行求解，以得到第二计算结果文件。
步骤407：根据保存的目标值的位置，获取第二计算结果文件中的目标值响应值。
快速建模及优化设计平台依次加载第二计算结果文件，根据步骤402中保存的目标值位置，在当前加载的第二结果文件中，定位该目标值位置，并提取该值（即目标值位置处所对应的目标值）作为此样本的目标响应值。所有第二计算结果文件加载并提取目标值完毕后，即可得到步骤404中所有采样数据对应的目标响应值。最终目标响应值以数据集R(m,k)表示，式中m为样本量，k为目标值数量。需说明，本实施例中目标值数量为4，即：主盘质量、主盘最大应力、主盘与试验台连接处最大应力、主盘一阶固有频率。
步骤408：将采样数据与目标值响应值进行拟合，得到设计参数与目标值响应值之间的代理模型；代理模型包括设计参数与主盘质量的拟合模型、设计参数与碰撞时最大表面应力的拟合模型、设计参数与碰撞时主盘与试验台连接处的最大应力的拟合模型以及设计参数与主盘一阶固有频率的拟合模型。
具体的，将步骤404中得到的采样数据S(m,n)与步骤407中第二有限元计算文件中目标值位置处的目标响应值数据集R(m,k)进行单目标建模，由于目标响应值有多个，因此拟合后得到的设计参数（也即采样参数）与单个目标响应值之间对应的代理模型也会有多个，因此，得到设计参数与单个目标值响应值之间的代理模型。
本实施例中的代理模型采用支持向量机、随机森林两种代理模型技术，采用穷尽网格搜索，以模型评价指标可决系数（R 2）作为搜索目标，以R 2最大时的模型及模型参数作为最终的拟合模型。本实施例中模型的评价指标通过K-折交叉验证法计算而来。
此外，在得到设计参数与目标值响应值之间的代理模型之后，还包括：对代理模型的精度进行计算，选取精度高于预设值的代理模型作为优化设计的代理模型。
具体的，对代理模型的精度进行计算，选取精度高于预设值的代理模型作为优化设计的代理模型，包括：
以可决系数、平均绝对误差及均方根误差作为代理模型的评价指标，判断评价指标是否符合预设标准，若是，则将该代理模型作为优化设计的代理模型；否则，增加采样数据重新拟合生成新的代理模型。当评价指标不符合预设标准时，判断其是否是由于样本量不足导致，如果是，则增加采样点，重新拟合生成新的代理模型，否则直接采用原始计算模型机型优化设计。
其中，可决系数、平均绝对误差及均方根误差的表达式分别为：
；
；
；
式中，为第i个样本的预测值，y i 为第i个样本的真实值，/>为真实数据均值，n为样本量。
步骤409：将优化目标和约束条件代入代理模型中进行优化设计，以得到一组或多组最优解。本步骤中，将优化目标和约束条件代入代理模型中进行优化设计，具体为，定义优化问题，将优化目标和约束条件代入优化算法中进行优化求解，以得到一组或多组最优解。
将上述步骤408中拟合得到的优化目标与约束条件的代理模型，代替原始计算复杂、耗时长的有限元计算模型，利用优化算法对此优化问题进行求解，以得到一组或多组最优解。如此设计，可大大缩短在后续的优化迭代过程中的计算时间，以此可缩短整个产品的设计周期。
如图5所示，本实施例的步骤500中，将一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，包括如下步骤：
步骤501：将第一有限元计算文件中的设计参数替换为最优解，以形成第三有限元计算文件。
步骤502：将第三有限元计算文件提交至设定求解器进行求解，得到第三计算结果文件。
步骤503：将第三计算结果文件中的计算结果与最优解进行差值比较，选取在预设范围内的差值所对应的一组最优解用于指导主盘系统的设计研发。
本申请中，将需要限制的因素定义为约束条件。根据目标函数个数，采用单目标优化或者多目标优化算法。本申请采用的是单目标粒子群优化算法，以主盘轻量化为优化目标（设计参数与主盘质量的拟合模型作为目标函数，求函数的最小值），以结构的屈服应力和主盘的一阶固有频率为约束条件（在优化迭代工程中，设计参数与碰撞时最大表面应力的拟合模型和设计参数与碰撞时主盘与试验台连接处的最大应力的拟合模型作为约束函数应小于材料的屈服应力；设计参数与主盘的一阶固有频率的拟合模型作为约束函数应大于企业相关结构低阶频率标准要求）。
对优化算法计算得到的最优解进行验证。如果是单目标优化，可得到一组唯一确定的最优解，将此组解代入第一有限元计算文件中进行替换，提交至指定求解器进行求解，得到第三计算结果文件。对比求解器计算结果（即第三计算结果文件）与优化算法得到的结果，如果误差在可控范围内即认为此结果可靠，可用于后续产品的设计。如果是多目标优化，则会得到多组最优解，可以依次对多组解进行验证，根据单个目标对产品的重要程度，选择其中一组解，用于后续产品设计。本申请采用单目标优化，通过此技术方案，最终实现主盘减重10%左右。
最后，指导主盘系统的设计研发既可以人工完成，也可以机器自动完成，机器自动完成可以用人机交互的方式实现，具体的，可以根据所述最优解的优先级选取其中一组最优解，并通过显示器显示该最优解以指导所述主盘系统的设计研发。
结合图6所示，本实施例中提供的一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化系统，包括仿真模块100、参数选取模块200、快速建模和优化设计模块300以及后处理模块400。其中，仿真模块100用于对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获取主盘系统的动力学仿真结果。动力学仿真结果包括运动轨迹曲线、受力情况以及模态中的至少一个。参数选取模块200用于根据动力学仿真结果选取影响供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数；还用于确定主盘系统的优化目标及约束条件。快速建模和优化设计模块300用于将设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，以得到一组或多组最优解。后处理模块400用于将一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，若是，则根据最优解的优先级选取其中一组最优解用于指导主盘系统的设计研发。
本实施例的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化系统，通过仿真模块100对供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，以获得主盘系统的动力学仿真结果，然后通过参数选取模块200根据动力学仿真结果选取影响供电受流性能综合实验台碰撞性能的设计参数；此外，还通过参数选取模块200确定主盘系统的优化目标和约束条件，通过快速建模和优化设计模块300根据设计参数、优化目标和约束条件计算最优解，然后通过后处理模块400将最优解提交至求解器进行验证，以判断其是否满足结构要求，若满足，则根据该最优解指导主盘系统的设计研发。通过采用本申请的优化方法，在保证了结果可靠性的同时，还利用代理模型代替了原始仿真计算模型，减少整个优化设计流程中仿真计算的次数，以实现缩短整个产品优化设计的时间的目的。其中，快速建模功能可自动参数寻优，在减少人工干预的同时可最大限度保证模型的精度，提高建模结果及优化结果的可靠性，通过采用本申请的优化系统，对相关产品的前期设计研发，以及后期的优化设计具有极大的指导意义。此外，对于仿真模块100、参数选取模块200、快速建模和优化设计模块300以及后处理模块400部分的说明已在上述方法实施例中进行了详细阐述，本实施例在此不作过多赘述。
此外，本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述介质上存储有程序，该程序能够被处理器执行以实现上述优化方法。关于优化方法部分的说明已在上述方法实施例中进行了详细阐述，本实施例在此不作过多赘述。
本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，包括：
对所述供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，将轨道车辆在运行情况下受电弓与导轨之间的预设的极端运动情况作为所述多体动力学仿真的输入条件，根据所述输入条件设置所述供电受流性能综合试验台各个部件之间的连接、约束及运动情况，将所述各个部件之间的连接、约束及运动情况作为碰撞仿真的初始条件，以获取主盘系统的动力学仿真结果；所述动力学仿真结果包括运动轨迹曲线、受力情况以及模态中的至少一个；
根据所述动力学仿真结果选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数；
确定主盘系统的优化目标及约束条件；
将所述设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，以得到一组或多组最优解；
将所述一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，若是，则根据所述最优解的优先级选取其中一组最优解用于指导所述主盘系统的设计研发。
2.如权利要求1所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述获取主盘系统的动力学仿真结果，包括：
将所述主盘系统导入碰撞仿真软件，获取主盘在遭受不同速度、硬度、方向的外物的撞击时主盘的运动轨迹曲线、受力情况以及模态。
3.如权利要求1所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述根据所述动力学仿真结果选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数，包括：
根据所述动力学仿真结果以及所述主盘系统的设计经验选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数；所述设计参数包括主盘的几何尺寸。
4.如权利要求1所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述确定主盘系统的优化目标及约束条件，包括：
确定所述优化目标包括主盘的质量；
确定所述约束条件为所述主盘的表面应力、主盘与实验台连接处的应力以及主盘的一阶固有频率。
5.如权利要求3所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述将所述设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，包括：
对所述供电受流性能综合试验台的有限元模型进行前处理，得到第一有限元计算文件；
对所述第一有限元计算文件进行解析，得到第一计算结果文件，以获取所述主盘系统的目标值，并保存所述目标值在所述第一计算结果文件中的位置；所述目标值包括主盘表面的最大应力值、主盘与试验台连接处的应力值、主盘的质量及主盘的一阶固有频率；
标记所述第一有限元计算文件中设计参数的位置，并定义所述设计参数的范围值；
在所述范围值内对所述设计参数进行采样，得到采样数据；
将标记的设计参数位置处的设计参数替换为采样数据，并生成第二有限元计算文件；
将所述第二有限元计算文件提交至求解器进行求解，以得到第二计算结果文件；
根据保存的目标值的位置，获取所述第二计算结果文件中的目标值响应值；
将所述采样数据与所述目标值响应值进行拟合，得到设计参数与目标值响应值之间的代理模型；所述代理模型包括设计参数与主盘质量的拟合模型、设计参数与碰撞时最大表面应力的拟合模型、设计参数与碰撞时主盘与试验台连接处的最大应力的拟合模型以及设计参数与主盘一阶固有频率的拟合模型；
将所述优化目标和约束条件代入所述代理模型中进行优化设计，以得到一组或多组最优解。
6.如权利要求5所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述得到第一有限元计算文件之后，还包括：
将所述第一有限元计算文件提交至指定的求解器，以验证所述有限元计算文件的可用性；
当验证结果为正常，则输出第一计算结果文件；否则重新对所述有限元模型进行前处理，并重新对所述设计参数进行标定。
7.如权利要求5所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述得到设计参数与目标值响应值之间的代理模型之后，还包括：
对所述代理模型的精度进行计算，选取精度高于预设值的代理模型作为优化设计的代理模型。
8.如权利要求7所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述对所述代理模型的精度进行计算，选取精度高于预设值的代理模型作为优化设计的代理模型，包括：
以可决系数、平均绝对误差及均方根误差作为所述代理模型的评价指标，判断所述评价指标是否符合预设标准，若是，则将该代理模型作为优化设计的代理模型；否则，增加采样数据重新拟合生成新的代理模型；
其中，所述可决系数、平均绝对误差及均方根误差的表达式分别为：
；
；
；
式中，为第i个样本的预测值，y i 为第i个样本的真实值，/>为真实数据均值，n为样本量。
9.如权利要求5所述的基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化方法，其特征在于，所述将所述一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，包括：
将所述第一有限元计算文件中的设计参数替换为所述最优解，以形成第三有限元计算文件；
将所述第三有限元计算文件提交至设定求解器进行求解，得到第三计算结果文件；
将所述第三计算结果文件中的计算结果与所述最优解进行差值比较，选取在预设范围内的差值所对应的一组最优解用于指导所述主盘系统的设计研发。
10.一种基于联合仿真对供电受流性能综合试验台的性能优化系统，其特征在于，包括：
仿真模块，用于对所述供电受流性能综合试验台进行多体动力学仿真，将轨道车辆在运行情况下受电弓与导轨之间的预设的极端运动情况作为所述多体动力学仿真的输入条件，根据所述输入条件设置所述供电受流性能综合试验台各个部件之间的连接、约束及运动情况，将所述各个部件之间的连接、约束及运动情况作为碰撞仿真的初始条件，以获取主盘系统的动力学仿真结果；所述动力学仿真结果包括运动轨迹曲线、受力情况以及模态中的至少一个；
参数选取模块，用于根据所述动力学仿真结果选取影响所述供电受流性能综合试验台碰撞性能的设计参数；
还用于确定主盘系统的优化目标及约束条件；
快速建模和优化设计模块，用于将所述设计参数、优化目标和约束条件输入快速建模及优化设计平台进行快速建模和优化设计，以得到一组或多组最优解；
后处理模块，用于将所述一组或多组最优解提交至求解器进行验证，判断其是否满足结构要求，若是，则根据所述最优解的优先级选取其中一组最优解用于指导所述主盘系统的设计研发。
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