基于hyperstudy和隐式参数化模型的a柱综合性能优化

Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-1-更多资料请登录 基于 HyperStudy 和隐式参数化模型的 A 柱综合性能优化张继游 1, 2，彭鸿 1, 2，门永新 1, 2，赵福全 1, 21. 吉利汽车研究院，杭州，311228；2. 浙江省安全控制技术重点实验室，杭州，311228摘要: 本文在 HyperStudy 优化平台的基础上，采用参数化技术和优化技术，集成了OptiStruct 等求解器，对某车型 A 柱的综合性能（刚度、屈曲和压溃性能）进行优化，最后获得了满足设计指标并且单位长度质量最小的设计方案。关键字：HyperStudy，OptiStruct，隐式参数化模型，A 柱，优化0 引言主断面截面特性直接影响梁结构的刚度性能，进而影响到车身的整车刚度指标，因此主断面分析在白车身结构设计中具有重要意义。传统的主断面分析根据主断面的力学特性来进行车身刚度的灵敏度分析，从而优化车身刚度，研究的范畴主要是车身的刚度性能指标 1-3。本文则采用全新的方法来考察主断面的综合性能。在某新车型的前期开发过程中，由于车身外形发生改变，设计人员开发了全新的 A 柱截面，为了达到对标车型的 A 柱截面综合性能，需要对该 A 柱截面进行分析和优化。根据该分析需求，本文的优化方案如下：首先，根据 A 柱截面的几何结构建立 A 柱的参数化模型；之后将参数化模型生成的有限元模型导入 HyperMesh 中，建立刚度分析、屈曲分析和压溃分析三个工况，前两个工况的求解器为 OptiStruct，第三个工况的求解器为相关非线性求解器；第三步，在 HyperStudy中建立优化目标、约束条件和设计变量，集成参数化工具（SFE CONCEPT）和求解器（OptiStruct 等）,经过两轮 DOE 分析，获取优化结果。Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-2-1 模型描述1.1 隐式参数化模型简介SFE CONCEPT 根据车身结构初始状态的有限元模型或几何模型，建立几何结构一致的参数化模型，该模型有两个功能：第一，模型结构具有全参数化功能，几何结构的位置、尺寸和形状等可以任意改变，能记录改变的过程并保存为设计变量；第二，几何结构发生改变的参数化模型可以生产几何结构相同并满足网格质量要求的有限元模型。基于上述功能，SEF CONCEPT 成为车身结构形状优化的有利工具。1.2 A 柱隐式参数化模型利用 SFE CONCEPT，通过基点（Points）基线（Lines ）截面（Sections ）梁（Beams）的建模步骤，将 A 柱截面拉长 300mm，并赋予材料和性能属性，生成 A 柱隐式参数化模型，如图 1 所示。该参数化模型可以同时生成 NASTRAN 格式和 DYNA 格式的有限元模型。图 1 A 柱参数化模型1.3 分析工况本文中，A 柱的综合性能包括 A 柱的刚度性能、屈曲性能和压溃性能。前两者求解器为 HyperWorks 的 OptiStruct，压溃性能求解器为相关非线性软件。三个性能的分析工况如下所示：（1）刚度分析工况：A 柱末端赋予全自由度约束，采用 RBE2 将 A 柱前端与对应的截面中心连接，建立三个刚度工况(1.垂直刚度，Fy=1000N; 2.侧向刚度，Fz=1000N; 3.扭转刚度，Mx=100kNm)，求解出对应的位移或转角，获取相应的刚度值，如图 2(1)所示。（2）屈曲分析工况：Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-3-A 柱末端赋予全自由度约束，采用 RBE2 将 A 柱前端与对应的截面中心连接，在原点沿 X 方向施加 Fx=10kN，求解出 A 柱的屈服载荷，如图 2(2)所示。（3）压溃分析工况：A 柱末端赋予全自由度约束，刚性墙以 0.25m/s 的速度沿 X 方向挤压 A 柱 50mm，求出 A 柱的最大挤压力和平均挤压力，如图 2(3)所示。三个工况的计算结果如表 1 所示。由表 1 可知，车型的 A 柱的垂直刚度、侧向刚度、屈曲载荷低于对标车型，扭转刚度和压溃性能高于对标车型。（1）刚度分析工况 （2 ）屈曲分析工况 （3）压溃分析工况图 2 分析工况表 1 A 柱综合性能对比性能 对标车型 优化车型 偏差质量 单位长度质量(Mass_L ，kg/m) 4.186 4.535 8.34%垂直 刚度(Stiffness_Fz，kN/mm) 2.265 2.183 -3.62%侧向刚度 (Stiffness_Fy，kN/mm) 1.848 1.642 -11.10%刚度扭转刚度(Stiffness_Mx，kNm/deg) 14903 20790 39.50%屈曲 屈服载荷(EIG_Force ，kN) 181.5 157.8 -13.00%最大反作用力(Max_Force，kN) 108.1 170.9 58.10%压溃最大平均反作用力(Max_Ave_Force，kN) 58.5 100 70.90%2 A 柱综合性能优化2.1 优化目标与设计变量本文优化的目标是 A 柱的单位长度质量最小，约束条件为刚度、屈曲和压溃性能不低于对标车型，设计变量包括 3 个形状变量（DV01、DV02、DV03）和 3 个厚度变量（DV04、DV05、DV06） 。A 柱综合性能优化的设计变量与约束条件如下表 2 所示，其中DV01 为 A 柱圆管的半径， DV02 为 A 柱圆管的位置，DV03 为 A 柱内板的位置，DV04Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-4-为 A 柱圆管的厚度，DV05 为 A 柱加强板的厚度，DV06 为 A 柱加强板的厚度。2.2 DOE 分析（1）第一轮 DOE 分析第一次 DOE 分析选择上述 6 个变量（DV01-DV06）为优化参数，采用 Latin Hypercube 方式，建立 18 个样本的 DOE，获取的 DOE 相关性分析结果如图 3 所示。由图 3 可知，DV01 对 Stiffness_Fz、Stiffness_Fy 和 Stiffness_Mx 的贡献度均高于其他变量，且与这些输出结果呈负相关关系；DV06 对 MAX_Force、EIG_Force、MAX_Ave_Force和 Mass_L 的贡献度均高于其他变量，且与这些输出结果呈正相关关系；DV02、DV03、DV05 对各输出结果的贡献度较小，且均低于其他变量。所以，在第 2 轮DOE 分析中，DV02、DV03 、DV05 将不参与优化计算。表 2 设计变量与约束条件设计变量 初始值 下限 上限 参数类型DV01(mm) 20 18 22 连续DV02(mm) 0 0 10 连续DV03(mm) 0 0 10 连续DV04(mm) 2.0 2.0 4.0 离散（步长：0.1）DV05(mm) 1.0 0.7 1.5 离散（步长：0.1）DV06(mm) 1.8 1.5 3.0 离散（步长：0.1）约束条件 初始值 下限 上限 参数类型Stiffness_Fz(kN/mm) 2.183 2.265 - 连续Stiffness_Fy(kN/mm) 1.642 1.848 - 连续Stiffness_Mx(kNm/deg) 20790 14903 - 连续EIG_Force(kN) 157.8 181.5 - 连续Max_Force(kN) 170.9 108.1 - 连续Max_Eva_Force(kN) 100 58.5 - 连续Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-5-图 3 第 1 轮 DOE 分析结果（2）第二轮 DOE 分析第二轮 DOE 分析的设计变量为 DV01、DV04 和 DV06，采用 Latin Hypercube 方式，建立 30 个样本的 DOE。以此 DOE 为基础，采用 Least Squares Regress 方式，创建响应面模型。各变量的响应面精度对比如表 3。由表 3 可知，各输出量的响应面精度R2_Press 均高于 0.99，由此可知，响应面精度高，可作为优化的计算基础。Max_Eva_Force 的残差图和响应面模型如图 4 和图 5 所示。表 3 响应面精度输出参数 Mass_L Stiffness_Fz Stiffness_Fy Stiffness_MxR2 0.9999 0.9999 0.9999 0.9999输出参数 EIG_Force Max_Force Max_Eva_ForceR2 0.9988 0.9996 0.9958Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-6-图 4 Max_Eva_Force 的残差图 图 5 Max_Eva_Force 的响应面模型2.3 优化计算在响应面模型的基础上，采用 Genetic Algorthm 算法，求解 Mass_L 的全局最优解，将优化后的设计变量导入原模型计算，获得的分析结果与响应面模型优化结果的误差如表4 所示。如图 6 所示，最终的优化结果：当圆管的直径为 21.8mm (初始值为 18mm) 、厚度为 2.3mm (初始值为 2.0mm) ，加强板的板厚为 1.5mm(初始值为 1.8mm)时， Mass_L 达到满足各约束条件的最小值 4.72kg/m (初始值为 4.54kg/m) 。 表 4 仿真模型与响应面模型对比输出参数 响应面模型 仿真模型 误差 设计下限Mass_L(kg/m) 4.72 4.72 0 -Stiffness_Fz(kN/mm) 2.288 2.285 0.14% 2.265Stiffness_Fy(kN/mm) 1.848 1.844 0.24% 1.848Stiffness_Mx(kNm/deg) 15558 15463 0.60% 14903EIG_Force(kN) 187.3 183.2 4.10% 181.5Max_Force(kN) 178.7 179.3 -0.32% 108.1Max_Eva_Force(kN) 105.5 104 0.15% 58.5Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-7-（1）初始的 A 柱截面 （2）优化后的 A 柱截面图 6 优化结果3 结论本文在 HyperStudy 优化平台的基础上，采用参数化技术和优化技术，集成了OptiStruct 等求解器，对某车型 A 柱的综合性能（刚度、屈曲和压溃性能）进行优化，最后获得了满足设计指标并且单位长度质量最小的设计方案。本文采用的优化方法有以下两个优点：（1）相对传统的主断面分析只考察截面的刚度指标，本文还考察了梁的屈曲性能和压溃性能，分析的范围更加广泛，同时设计变量中包括了形状设计变量，为设计人员提供了更大的设计空间；（2）本文采用了 HyperWorks 系列的多款产品（HyperStudy、HyperMesh 、HyperView 和 OptiStruct） ，减少了数据之间的传递损失，从而降低了用户的使用成本，并提高了产品的研发效率。4 参考文献1 肖杰, 雷雨成, 张健，等.车身主断面几何特性对白车身刚度影响的研究.汽车技术, 2007, (02)：15-18.2 陈昌明, 陈家骐, 姚乾华.基于 ANSA 环境的车身主断面有限元分析.山东交通学院学报, 2009, 17(01)：1-4.3 姚乾华, 陈昌明.基于车身主断面力学特性的灵敏度分析.车辆与动力技术, 2007, 108：36-42.Optimization of Multi-disciplinary Properties of A-pillar Based on HyperStudy and Implicit Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集-8-Parametric ModelZhang Jiyou Peng Hong Men Yongxin Zhao FuquanAbstract: Based on parametric technology and optimization technology, this paper uses HyperStudy platform to integrate OptiStruct and other solvers, and optimize multi-disciplinary properties (stiffness,