基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的SUV車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計簡ppt課件

1、基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的SUV車身構(gòu)造輕量化設(shè)計 爭辯人: 蘇占龍導(dǎo) 師: 王 霄 教授專 業(yè): 機 械 工 程汽車工程領(lǐng)域三大主題平安節(jié)能環(huán)保 課題研討背景及課題提出最為有效的途徑汽車輕量化提高汽車碰撞平安性1.降低燃油耗費2.減少尾氣排放車輛碰撞類型正碰偏置碰側(cè)碰后碰側(cè)翻輕質(zhì)資料先進(jìn)加工工藝構(gòu)造優(yōu)化實現(xiàn)輕量化的方法同時保證1、致傷率64.5%，居第一位2、致死率35%，僅次于正碰實現(xiàn)輕量化不能以犧牲平安性為代價，因此要同時保證碰撞平安性同時保證被動平安自動平安 課題研討現(xiàn)狀及課題提出汽車構(gòu)造輕量化單目的確定性優(yōu)化多目的確定性優(yōu)化多目的穩(wěn)健性優(yōu)化以輕量化為目的。以輕量化與提高碰撞平安性為目

2、的；同時保證其他方面性能。以輕量化、提高碰撞平安性與提高穩(wěn)健性為目的；同時保證其他方面性能。同時思索由于加工不確定性引起的性能動搖少提高汽車碰撞平安性引入近似模型汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)2SUV有限元模型的建立與有限元分析3基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計4總結(jié)與展望 本文主要研討內(nèi)容1汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)整車側(cè)面碰撞有限元模型的建立車門靜態(tài)有限元模型的建立Hypermesh通用前處置平臺SUV整車側(cè)面碰撞性能分析SUV車門模態(tài)性能分析SUV車門剛度性能分析汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)平臺初選變量參數(shù)實驗設(shè)方法進(jìn)展靈敏度分析，挑選變量最終變量基于拉丁超立方實驗設(shè)計方法

3、的樣本采樣呼應(yīng)面近似模型與Kriging近似模型的建立基于多學(xué)科多目確實定性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化基于蒙特卡洛抽樣的可靠性分析與質(zhì)量程度檢查基于多學(xué)科多目的穩(wěn)健性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化設(shè)計初步了解初始設(shè)計性能總結(jié)與展望 本文技術(shù)道路1234汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)開發(fā)平臺Windows 7/Windows XP-(TCL /TK腳本言語)Hyperworks (Hypermesh，Hyperview)Process Manager(Process Manager，Process Studio、Framework)基于Hyperworks 的汽車側(cè)面碰撞分析流程自動化系統(tǒng)資料、載荷數(shù)據(jù)庫1汽

4、車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)1圖1.1 側(cè)面碰撞分析流程自動化系統(tǒng)流程樹通用前處置：1、導(dǎo)入模型，2、自動抽取中面3、賦予屬性與資料建立銜接：1、焊點2、螺栓3、粘膠建立接觸與剛性墻：1、剛性墻2、自接觸3、焊點接觸4、粘膠接觸邊境條件：1、初始 速度2、重力場控制卡片：1、終了時間2、控制時間步3、單元控制4、接觸、沙漏、能量控制等輸出卡片： 1、二進(jìn)制文件 2、輸出控制開發(fā)流程樹汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)自動抽取中面工具資料與載荷數(shù)據(jù)庫鈑金件：N零件號_工程代號_T厚度*100;實體件：S零件號_工程代號 1CAD模型中的銜接信息CAE模型中的銜接信息自動建立銜接(1) 焊點銜接(

5、2) 螺栓銜接(3)粘膠等其他銜接粘膠、縫焊、鉚接汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)建立銜接的用戶主界面成果：實現(xiàn)了CAD模型導(dǎo)入、抽取中面、建立銜接、建立剛性墻與接觸、施加邊境條件、定義控制卡片與輸出卡片的流程自動化，大幅度提高了側(cè)面碰撞有限元建模的效率。1SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV整車有限元模型的建立CAD模型歸類與導(dǎo)入電器底盤車身附件抽取中面網(wǎng)格劃分網(wǎng)格質(zhì)量檢查整車模型裝配銜接螺栓粘膠焊接萬向鉸等其它基于include文件的整車網(wǎng)格資料、單元屬性定義屬性卡片定義資料卡片定義資料曲線輸入積分類型選擇YN剛性墻與接觸的建立幾何清理粘膠、焊點等其他接觸自接觸剛性墻控制卡片單元控制時

6、間步控制終了時間沙漏控制等輸出卡片二進(jìn)制文件輸出頻率d3plot文件輸出其他文件輸出控制初始條件重力加速度初始速度導(dǎo)出子系統(tǒng)k文件2紅色框-流程自動化； 網(wǎng)格劃分手動完成汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)SUV整車有限元模型的建立底盤車門白車身2汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)SUV整車有限元模型的建立整車有限元模型2SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV整車側(cè)面碰撞性能分析(1)碰撞系統(tǒng)總能量分析碰撞系統(tǒng)能量曲線(2)整車變形分析沙漏能與滑移界面能占總能量的百分比分別為4.020%和2.269%，小于10%的要求前門、B柱、中門下部發(fā)生嚴(yán)重變形，分析可靠經(jīng)過提高B柱、前門、中門附件構(gòu)造的強度

7、改善碰撞平安性能2SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV整車側(cè)面碰撞性能分析(3)前門與B柱丈量點侵入量與侵入速度分析測量點編號代號測量點最大侵入量/mm代號測量點最大侵入速度/ms-1分析值目標(biāo)要求分析值目標(biāo)要求P1Bd1138.387150Bv18.153 8.5P2Bd2154.249160Bv27.863 8.5P3Bd3176.901180Bv37.715 9.5P4Bd4184.464190Bv48.003 9.5P5Bd5193.171190Bv59.76210.5P6Dd649.364100Bv65.402 7.5P7Dd1180.978190Dv18.851 9.5P8Dd

8、2189.070200Dv29.46810.5P9Dd3182.050210Dv310.24610.5P10Dd4195.853210Dv410.62610.5P11Dd5186.794190Dv510.04410.5丈量點位置丈量點侵入量曲線丈量點侵入速度曲線丈量點最大侵入量與最大侵入速度表2SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV車門模態(tài)性能分析前門一階陣型中門一階陣型前門二階陣型中門二階陣型前門三階陣型中門三階陣型車門前三階模態(tài)振型圖2SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV車門模態(tài)性能分析車門模態(tài)階數(shù)代號分析值/Hz目標(biāo)要求/Hz振型描述前門1Fmode132.6730一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)2F

9、mode241.8535窗框+外板局部模態(tài)3Fmode366.0245內(nèi)板局部模態(tài)中門1Rmode130.8130一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)2Rmode237.5435內(nèi)板+外板局部模態(tài)3Rmode348.0145內(nèi)板局部模態(tài)車門前三階模態(tài)頻率與振型描畫SUV車門剛度性能分析窗框側(cè)彎工況Y向位移云圖 下垂工況Z向位移云圖 (1)前門剛度滿足要求，存在輕量化設(shè)計空間2SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV車門剛度性能分析改動工況Y向位移云圖(窗框后下角) 改動工況Y向位移云圖(車門后下角)(1)前門剛度前門剛度各工況加載位置代號分析位移值/mmLCBZ201301目標(biāo)位移值/mm窗框剛度窗框后上角Fstif

10、fness14.3208扭轉(zhuǎn)剛度窗框后下角(上扭)Fstiffness23.5647車門后下角(下扭)Fstiffness33.7387下垂剛度鎖芯處Fstiffness41.8355前門剛度分析結(jié)果匯總表遠(yuǎn)低于目的值，存在較大輕量化空間2SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV車門剛度性能分析(2)中門剛度側(cè)彎工況Y向位移云圖(窗框前上角)側(cè)彎工況Y向位移云圖(窗框后上角)下垂工況Z向位移云圖(窗框前上角) 下垂工況Z向位移云圖(窗框后上角) 2(2)中門剛度下垂工況Z向位移云圖 下垂工況Z向位移云圖 (窗框前上角) (窗框后上角)中門剛度加載位置代號位移值/mmSQGM目標(biāo)值/mm余量系數(shù)

11、窗框剛度窗框前上角chuangkuang_L7.158100.40窗框后上角chuangkuang_R5.44880.47扭轉(zhuǎn)剛度車窗上角(上扭)niuzhuan_up12.736160.26車門下角(下扭)niuzhuan_down4.9446.50.32下垂剛度前鎖芯處chuizhi_F0.0581.524.00后鎖芯處chuizhi_R0.189314.79中門剛度分析結(jié)果匯總表SUV有限元模型的建立與有限元分析SUV車門剛度性能分析遠(yuǎn)離目的值，存在較大的輕量化空間2多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方案的提出3基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方案提出子模型建立初始設(shè)計變量變量挑選

12、參數(shù)實驗設(shè)計最優(yōu)拉丁超立次方實驗設(shè)計構(gòu)造 Kriging+呼應(yīng)面近似模型添加樣本點精度檢驗NSGA-,NCGA,AMGA 多目確實定性優(yōu)化質(zhì)量程度檢驗穩(wěn)健性多目的優(yōu)化穩(wěn)健性優(yōu)化方案確定更新近似模型各優(yōu)化算法的優(yōu)化結(jié)果與可靠性對比蒙特卡洛抽樣簡化模型，降低單次抽樣計算時間減少變量，降低抽樣次數(shù)最終設(shè)計變量可靠性分析選擇穩(wěn)健性優(yōu)化算法側(cè)面碰撞子模型的建立與驗證基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計子模型建立流程圖子模型邊境條件提取保證精度的條件下，降低了計算代價3側(cè)面碰撞子模型的驗證基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計子模型整車模型子模型整車模型整車模型子模型子模型整車模型子模型與整車模型各

13、項目的對比驗證33基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計1-前門內(nèi)板(前) 2-前門外板 3-前門內(nèi)板(后)4-前門腰線加強件 5-前門防撞梁(上)6-前門防撞梁(下)7-中門鉸鏈加強件 8-中門防撞梁(下)9-中門防撞梁(中)10-中門防撞梁(上)11-中門外板 12-前門鎖加強件 13-B柱外加強板 14-中門內(nèi)板 15-中門鎖加強件 16-B柱內(nèi)加強板圖4.11 設(shè)計變量分布圖初始設(shè)計變量的選擇初始設(shè)計變量的選擇基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計變量名稱變量代號初始值/mm取值范圍/mm標(biāo)準(zhǔn)差/mmB柱內(nèi)加強板B11.20.8 1.0 1.2 1.4 1.5 1.60.01B柱外

14、加強板B21.40.8 1.0 1.2 1.4 1.5 1.60.01前門內(nèi)板(后)D10.70.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.20.01前門內(nèi)板(前)D21.20.8 1.0 1.2 1.4 1.5 1.60.01前門外板D30.80.6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.40.01中門外板D40.80.6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.40.01中門內(nèi)板D50.70.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.20.01前門防撞梁(上)F10.80.6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.40.01前門防撞梁(下)F21.61.2 1.4 1.5 1.6 1.8 2.00.0

15、1中門防撞梁(上)F31.61.2 1.4 1.5 1.6 1.8 2.00.01中門防撞梁(中)F40.70.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.20.01中門防撞梁(下)F51.61.2 1.4 1.5 1.6 1.8 2.00.01前門腰線加強板R10.80.6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.40.01前門鎖加強件S11.40.8 1.0 1.2 1.4 1.5 1.60.01中門鎖加強件S21.20.8 1.0 1.2 1.4 1.5 1.60.01中門鉸鏈加強件H11.51.0 1.2 1.4 1.5 1.6 1.8 0.01處理方案1經(jīng)過ps挑選實驗，減少變量2經(jīng)過實驗設(shè)

16、計方法采集樣本，建立近似模型，替代有限元模型參與優(yōu)化設(shè)計變量相關(guān)參數(shù)加工不確定性變量多，優(yōu)化計算代價依然高3設(shè)計變量挑選實驗基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計PS設(shè)計樣本點采樣矩陣設(shè)計變量對侵入量的主效應(yīng)圖設(shè)計變量對侵入速度的主效應(yīng)圖設(shè)計變量對內(nèi)能主效應(yīng)圖 設(shè)計變量對質(zhì)量的主效應(yīng)圖 設(shè)計變量對吸收內(nèi)能的Pareto圖設(shè)計變量對整車質(zhì)量的Pareto圖3挑選出靈敏度較高的10組變量，用于后續(xù)樣本采集設(shè)計樣本采集 基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計1實驗設(shè)計方法選擇及樣本點采集采樣方法：最優(yōu)拉丁超立方實驗設(shè)計樣本點數(shù)：90呼應(yīng)：質(zhì)量，吸收的內(nèi)能E、侵入量、侵入速度、車門前三階模態(tài)、車門

17、剛度等40個呼應(yīng)。3近似模型建立基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計式中：呼應(yīng)面：Kringing模型：3基于多目確實定性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計 目的：碰撞吸收內(nèi)能最大： max ( Energy)； 設(shè)計空間質(zhì)量最?。?min (mass_design)約束條件：s.t 1. 側(cè)碰平安性： 式中 - 與Bd j分別是門板和B柱侵入量； - Dvi與Bv j分別是門板和B柱侵入速度。2.模態(tài)：前門與中門 式中- 與Fi, fi 別是前門與中門的i階模態(tài)；i=1,2,3.3.剛度：前門與中門 式中- D_front_door與D_front_door分別

18、代表前門與中門剛度。 圖4.1.整車模型圖3基于多目確實定性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計1基于NSGA-算法確實定性優(yōu)化3基于多目確實定性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計2基于NCGA算法確實定性優(yōu)化3基于多目確實定性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計3基于AMGA算法確實定性優(yōu)化3基于多目確實定性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計4三種算法確實定性優(yōu)化結(jié)果對比3根據(jù)企業(yè)要求，分別從三種優(yōu)化算法得到的解集，選取一組，進(jìn)展下一步的可靠性分析基于蒙特卡洛抽樣的可靠性分析與質(zhì)量程度檢查基于

19、多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計約束響應(yīng)NSGA-確定性優(yōu)化解的可靠性分析NCGA確定性優(yōu)化解的可靠性分析AMGA確定性優(yōu)化解的可靠性分析AMGA穩(wěn)健性優(yōu)化解的可靠性分析Sigma水平可靠度Sigma水平Sigma水平Sigma水平可靠度Sigma水平可靠度Bd181888181Bd22.9680.997888181Bd31.1260.7403.2913.2913.2910.99981Bd41.8810.940888181Bd581888181Bd681888181Dd10.6170.6170.9310.9310.9310.64881Dd22.3082.3073.2913.2913.291

20、0.99981Dd30.9080.636888181Dd481888181Dd52.6120.991888181Bv1-Dv581888181Fstiffness1-Fstiffness481888181Fmode1811.7011.7011.7010.91181Fmode2，F(xiàn)mode381888181Rmode13.0900.9982.9682.9682.9680.99781Rmode2，Rmode381888181chuangkuang_L81888181chuangkuang_R81888181chuizhi_F，chuizhi_R81888181niuzhuan_up1.7930.9

21、271.7171.7171.7170.91481niuzhuan_down2.2730.9772.1702.1702.1700.97081注：表中質(zhì)量程度為8，代表可靠度為100%。也就是說在設(shè)定的設(shè)計變量變動范圍內(nèi)，發(fā)生分析結(jié)果超出約束邊境的事件為小概率事件?？煽啃苑治鼋Y(jié)果匯總3基于蒙特卡洛抽樣的可靠性分析與質(zhì)量程度檢查基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計AMGA算法兼具了兩種算法的優(yōu)點，Pareto解集的分布均勻性、Pareto前沿的光滑性比前兩種算法都要好，而且解的分布范圍更廣，可以生成多樣性的解，探求性良好。經(jīng)可靠性分析知：以AMGA算法得到的最優(yōu)解要比NCGA、NSGA-算法得到

22、的最優(yōu)解可靠性略好。(1)多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的選取AMGA作為穩(wěn)健性優(yōu)化的優(yōu)化算法3基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化設(shè)計基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計Obj： Mode：Stiffnss：目的：質(zhì)量最小，碰撞平安性最優(yōu)，且規(guī)范差最小約束：各項性能滿足要求，且可靠度到達(dá)6sigma要求3基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化的車身構(gòu)造輕量化設(shè)計基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計Obj： 各目的函數(shù)的Pareto非劣解集變量名稱變量代號初始值/mm穩(wěn)健性優(yōu)化值/mmB柱內(nèi)加強板B11.21.2B柱外加強板B21.41.6前門內(nèi)板(后)D10.70.5前門內(nèi)板(前)D21.21.2前門外板D30

23、.80.6中門外板D40.80.6中門內(nèi)板D50.70.7前門防撞梁(上)F10.81.0前門防撞梁(下)F21.61.4中門防撞梁(下)F51.61.2穩(wěn)健性優(yōu)化后與最初的設(shè)計變量值對比根據(jù)企業(yè)要求，選取一個較優(yōu)的解。3穩(wěn)健性優(yōu)化前后對比結(jié)果基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計 優(yōu)化前后侵入量對比曲線優(yōu)化前后變形對比圖穩(wěn)健性優(yōu)化前穩(wěn)健性優(yōu)化后3穩(wěn)健性優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化前對比基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計 吸收的內(nèi)能添加，侵入量與侵入速度整體降低，碰撞平安性得到提高優(yōu)化前后侵入速度曲線對比優(yōu)化前后內(nèi)能吸收曲線對比3穩(wěn)健性優(yōu)化結(jié)果與近似模型驗證基于多目的穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計

24、各項性能優(yōu)化前穩(wěn)健性優(yōu)化后目標(biāo)要求優(yōu)化改進(jìn)分析值分析值近似模型值近似誤差Mass_design60.845 kg53.992 kg53.992 kg0%-+11.263%E51.757 kJ51.986 kJ52.160 kJ0.333%-+0.442%Bd1 (P1)138.387 mm132.400 mm134.609 mm1.668%150 mm+4.326%Bd2 (P2)154.249 mm148.863 mm145.201 mm2.460%160 mm+3.492%Bd3 (P3)176.901 mm171.123 mm165.816 mm3.102%180 mm+3.266%Bd

25、4 (P4)184.464 mm177.958 mm171.276 mm3.755%190 mm+3.527%Bd5 (P5)193.171 mm182.750 mm177.054 mm3.117%190 mm+5.395%Dd6 (P6)49.364 mm49.391 mm49.987 mm1.207%100 mm-0.055%Dd1 (P7)180.978 mm173.771 mm180.004 mm3.587%190 mm+3.982%Dd2 (P8)189.070 mm178.738 mm179.669 mm0.521%200 mm+5.465%Dd3 (P9)182.050 mm18

26、0.130 mm184.553 mm2.455%210 mm+1.055%Dd4 (P10)195.853 mm188.076 mm184.961 mm1.656%210 mm+3.971%Dd5 (P11)186.794 mm181.824 mm179.342 mm1.365%190 mm+2.661%Bv1 (P1)8.153 m/s8.052 m/s8.201 m/s1.845% 8.5 mm+1.239%Bv2 (P2)7.863 m/s7.853 m/s7.986 m/s1.698% 8.5 mm+0.127%Bv3 (P3)7.715 m/s7.713 m/s7.919 m/s2.

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