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商用车架多学科优化设计潘淑华 李保国 李继川 一汽技术中心结构强度研究室 赛特达科技有限公司【摘 要】在商用车设计过程中，引入过程集成、流程自动化和参数化设计概念，并利用 Morph 功能实 现有限元网格自动化生成，在满足 7 种加载工况和由应力、频率、静态刚度的约束的前提下， 利用 Abaqus 软件进行仿真，通过优化方法实现车架质量最小。
实践证明，减重效果明显。
【关键词】商用车 多学科优化 有限元 参数化设计1项目意义随着原材料的涨价，载货的限定，汽车结构的优化设计是迫切的需求。
减轻汽车自身 质量一方面节约了原材料，降低了生产成本；另一方面也降低了燃油消耗，减少了排放， 有利于环保要求。
优化设计是近年来发展并应用起来的一门技术，已经应用到结构设计的各个方面，车 架设计也正在多方面引入了优化设计的概念。
为了在产品设计阶段进行优化概念设计，我们首先对车架特性进行深入细致的研究， 主要集中在车架静、动态方面。
车架的强度、刚度是其承载性能的主要指标，模态是整车 振动特性及部件匹配的指标，按特性指标控制进行车架结构的参数优化设计，运用 isight 集成、驱动 hypermesh、abaqus 等软件，考虑工程制造的可行性，获得最优的车架结构纵、 横梁位置布局，合理的纵、横梁及连接板的厚度匹配，综合获得最优的设计方案，节省材 料，降低成本。
2车架分析方案制定2.1 总体优化方案在车架设计中，各部件总成质量分布如下图，从图中可以发现在车架减重优化中，纵 梁、纵梁内加强梁、纵梁前端、纵梁后部加强板是一个关键因素，其占整个车架质量的 63.9%，其次为大支架（为铸造件）及连接件（为铸造件），各横梁总成质量相差不大。
因 此用 2 个阶段实现车架优化目标：第一阶段，从刚度、模态角度考虑，建立车架分析的梁 模型，通过调整各个车架各个断面的尺寸、横梁支架的位置关系，获得车架断面尺寸、横 梁位置的最佳匹配，起到一定的优化布局的作用；第二阶段，在断面尺寸优化的基础上， 建立有板壳单元组成的详细模型，开展强度、刚度、模态联合仿真优化，确定车架的最佳 尺寸匹配和板厚匹配，达到减小车架质量的目的。
对多个子目标同时进行优化的问题称为多目标优化问题，又称多准则优化问题、多性能优化问题。
实际工程中，优化问题大多数属于多目标问题，目标之间一般都是互相冲突的，因此在设计时需要进行多目标的比较，并进行权衡和折衷。
自20世纪70年代以来，多目标优化问题在国际上引起了广泛的关注，并迅速发展为一门新兴的学科。
多目标优化算法主要分为两大类：归一化方法和非归一化方法。
归一化方法的解决方法通过加权或其他方式将多个目标转化为单一目标，然后通过成熟的单目标优化方法求解。
加权法是归一化算法的代表算法之一，该算法主要是根据各子目标的重要程度分别指定相应的加权系数，将多目标问题单目标化，但其主要有两个缺点：（1）当目标函数的数量增加时，权重系数在目标空间里的等值面的关系不再直观；（2）如果Pareto前沿形状中存在没有凸起的部分，则无法求得这部分Pareto最优解。
且加权法的权值通常并不是决策者设定，而是优化者决定，这在很大程度上受到了优化者主观的影响。
非归一化方法是采用Pareto机制直接处理多个目标的优化技术，它不需要将多个目标转化为单一目标，因此解决了归一化方法的缺点。
非归一化方法能够使所求解集的前沿与Pareto前沿尽量接近，并尽量均匀覆盖Pareto前沿。
非归一化方法中的代表方法是：多目标遗传算法、eArtius公司的ParetoExplorer方法等。
Isight中集成了三种多目标遗传算法：NCGA、NSGA-II、AMGA，特点是：（1）不单独求一个个的Pareto解，而是一次性得到Pareto前沿；（2）作为多目标遗传算法的基础的遗传算法，是启发式的方法，具有自组织、自适应、自学习和“复杂无关性”的特征，因此算法不用了解优化问题的全部特征就能完成问题的求解，易于操作、简单通用；（3）能够求解复杂的Pareto前沿，比如凹陷部分。
在原理上，多目标遗传算法将Pareto最优性条件运用在适应度的评价上，如果某个解在Pareto最优这个意义上比前辈更有提高，那就认为适应度得到了提高，以此进行进化施压。
Isight 行业面临的挑战在当今CAD、CAE 设计研发以及生产制造过程中，设计师和工程师会使用各种各样的软件工具来设计和计算产品的性能。
通常情况下，—个软件产生的参数输出会作为另—个软件的参数输入，如果通过手工整理所有的数据，会大大降低了计算效率，这样不仅延缓了产品开发周期，还增加了在建模和仿真过程中出错的概率。
同时，在优化产品设计过程中产生的多学科多目标权衡问题，因其庞大的计算量而使得手工处理几乎不可能完成既定任务。
Isight 解决方案Isight 提供给设计师、工程师和研究人员—个开放的集成设计和仿真模型、搭建含多种CAD、CAE 软件和其它应用软件的—个桌面级解决方案。
它可以自动的执行数百万计的仿真分析。
Isight 通过实验设计、最优化、六西格玛设计来优化产品性能和成本指标，在改善和提高产品性能的同时缩短产品设计周期。
Isight 在—个流程中实现了跨学科的仿真模型建立，自动化的执行多学科多目标的分析流程，并对设计空间进行探索，进而能够找到基于需求约束条件下的最优的设计参数。
Isight 灵活的操作性能和强大的参数映射自动传递能力，以及独特的流程并联、流程嵌套功能，大大提高了产品设计分析效率，降低了人工错误的发生概率，加速了产品设计方案的评价。
实验设计：探索影响产品性能因子的敏感性以及交互效应。
为构造响应面获取数据。
响应面：加速寻优过程，拟合设计空间和解空间。
提供了自动交叉验证响应面精度，以确保准确预测。
最优化：提供了丰富的基于梯度、模式、进化三类寻优方法，并能够处理大规模约束和多目标优化问题。
数据拟合：对实验数据和仿真数据进行数据拟合，反推出合理的设计参数。
六西格玛：应用随机的方法，评估已知的影响在系统响应中因子的不确定性的统计特性。
Isight 后处理Isight 可以对运行在桌面环境下和分布式环境下的仿真优化任务进行数据分析，可以进行创建图、表和结果展示。
所有的运行在 Isight 上的任务会把结果自动保存到本地数据库中。
基于iS IGHT 的多学科设计优化技术研究与应用泰山石膏股份有限公司 任 利 山东农业大学机械与电子工程学院 邵园园临沂师范学院工程学院 韩 虎 摘 要:阐述了多学科设计优化技术,在iSI GHT 、Pr o /E 和Ansys 软件集成环境下,对轴承座进行多学科设计优化。
并对在单学科设计优化和多学科设计优化的环境下得到的优化结果进行了比较,得出了多学科设计优化结果更加有效地达到了优化目标的结论。
关键词:多学科设计优化;iSI GHT;软件集成Abstract:The technol ogy of multidisci p linary design op ti m izati on is elaborated 1Bearing bl ock multidisci p linary de 2sign op ti m izati on is conducted under the integrated envir on ment of iSI GHT,Pr o /E and Ansys,and the op ti m izati on result is better than that fr om single -disci p linary design op ti m izati on 1Keywords:multidisci p linary design op ti m izati on;iSI GHT;s oft w are integrati on1 多学科设计优化技术多学科设计优化(Multidisci p linary Design Op 2ti m izati on -MDO )是当前国际上飞行器设计研究中一个最新、最活跃的领域。
按照Jar osla w Sobieszczanski -Sobieski 的看法[1],MDO 是用于进行系统设计的方法,这种系统包括多个相互耦合的学科,设计师可以在这些学科上显著地影响系统的性能。
达索系统SIMULIA平台多参多学科优化软件Isight国内CAE仿真经过近二十年的发展，企业目前已不仅仅关注仿真本身，而是更多的考虑以下的三大领域：(1) 关注点从一般仿真分析向优化分析的过渡；(2) CAE仿真分析专业化，规范化和流程化；(3) CAE仿真分析问题的复杂化，涉及跨领域多学科复合问题。
我们将对上述三点分别进行解说。
1.1 从仿真分析到优化的过渡对于现今机械行业的从业人员来说，计算机辅助仿真分析方法已经被大家熟知并被广泛应用于各行各业，以实现仿真数字样机虚拟试验替代物理样机真实试验的最终目标。
随着国内CAE仿真分析水平的提升，在仿真分析方法和模式已经比较成熟的基础上，为了更有效的应用仿真分析结果，达到仿真分析结果指导产品设计的目的，优化方法和相应优化软件逐渐被引入到CAE部门的工作环节中。
如何应用优化软件搭建优化流程，以及通过什么样的优化方法和模式实现优化过程，成为很多企业CAE团队关注的问题。
根据上述需求，达索系统提供了Isight软件，作为多参数多学科优化工具平台，可以结合仿真分析工具（例如ABAQUS）实现仿真优化流程的搭建，解决产品设计与仿真联合优化的问题。
1.2 仿真规范化和流程化随着企业CAE团队的日益壮大与成熟，以及仿真数据的积累，这些企业都对仿真规范流程的搭建提出了迫切需求。
如今高性能计算资源极大丰富，并且可预见到在不久的将来量子计算机的发展和实用化将会带来计算资源的飞跃式增长。
对于CAE行业来说，计算机硬件将不再是仿真分析的瓶颈与桎梏，而大量的仿真模型处理任务和大量的待处理仿真数据将成为CAE团队的极大负担。
首先，如何将仿真流程规范化；其次，如何结合软件工具将相应流程固化；最终，如何尽可能使仿真流程自动化。
以上三点已经成为CAE行业想要发展壮大必须解决的问题。
在Isight中，我们可以通过有机的组合应用流程组件和应用组件创建仿真流程模板，通过源生应用组件和二次开发实现与第三方软件之间的调用和信息交互，通过Isight丰富的开发接口创建和开发仿真模板和定制模块。
