基于车门结构的多目标优化设计方法研究

为了同时考虑车门结构多响应的最优性和响应对可控因子波动的稳健性问题,文中基于车门的1阶频率、侧向刚度、垂直刚度、侧面碰撞多种工况,提出了一种多目标优化设计方法。通过对整车碰撞模型的简化,提高设计效率,采用拉丁超立方试验设计和响应面方法得出各响应的近似数学模型,并在此基础上构建包括最优性和稳健性在内的总体多目标优化模型,最后利用遗传算法对其进行求解。最终优化结果在车门质量不增加的情况下,各个响应的最优性和车门结构整体稳健性都有提高,达到了预期优化效果。     

基于Taguchi与TOPSIS-熵的车门多目标离散稳健优化研究

车身轻量化已经成为当前研究的重要方向,而车门作为汽车车身的一个相对独立的部件,如何在保证性能要求的基础上实现其轻量化是当前研究的热点。为实现车门轻量化,并保证其刚度、模态及耐撞性等性能,同时提高设计的稳健性,提出了一种基于连续Taguchi方法和TOPSIS-熵的多目标离散稳健优化算法;该方法充分利用了试验数据的决策信息,使优化效率大大提高。采用提出的算法对国内某款汽车前门结构进行优化的结果表明,不仅能满足刚度和模态要求,车门质量下降了28.44%,柱碰工况所吸收的能量增加了3.07%,同时提高了车门系统的稳健性,在工程实际中,具有非常强的实用性。     

稳健性和轻量化在车门结构优化设计中的应用

目前多数的轻量化研究,通常基于尺寸、形状、位置等某一单方面的设计因素展开,而忽略了各因素之间的交互性。另外,设计变量在制造生产过程中不可避免的存在一定范围内的波动。针对现有车门产品,结合多种类的设计因素,并考虑设计变量的波动对产品性能的影响,采用试验设计方法构造高精度的响应面模型,结合多岛遗传算法、蒙特卡罗模拟技术,对车门结构进行6σ稳健性与轻量化改进设计。结果表明,本研究在减轻车门质量的同时显著提高了产品性能及性能的稳健性。     

一种基于多响应优化技术的稳健性设计方法研究与应用

随着稳健性设计理论研究的深入以及多响应优化工程设计方法的成熟,将两者结合并引入整车研发过程成为可能。提出了1种把性能稳健性指标纳入多响应优化的方法,采用拉丁方的DOE方法,对大量结果数据进行处理,生成高精度的反应面函数。不仅仅考虑设计变量的设计值,并且引入设计变量的不确定性,采用蒙特卡洛算法得到性能的稳健性函数。综合考虑多项性能设计指标及其稳健性水平,以重量最低作为优化目标函数,得到优化设计的最优解域,指导扭转梁设计。分析结果显示,该方法在保证多个设计性能指标满足要求且性能稳健的同时,重量大幅降低。     

工业机器人参数容差稳健性设计

为降低工业机器人定位精度可靠性对运动学和动力学不确定参数的敏感性，基于工业机器人定位误差信噪比，提出了工业机器人运动学和动力学不确定参数容差稳健性优化设计方法。针对工业机器人动力学方程求解耗时问题，基于径向基函数神经网络建立了工业机器人动力学方程求解过程的代理模型，有效提高了工业机器人定位误差仿真效率。采用遗传算法求解所建立的稳健性优化设计模型，同时还分别以工业机器人定位误差平均值和定位误差信噪比并考虑加工成本为目标函数，对工业机器人不确定参数容差进行了优化设计。最后，以各优化结果作为不确定参数标准差，比较分析了工业机器人定位精度可靠性及定位精度可靠性敏感性，验证了所建立的工业机器人运动学和动力学参数容差稳健性设计方法的有效性。     

考虑因子容差的多响应稳健优化设计

针对现有多响应优化方法很少同时优化结果的最优性和稳定性,以及忽视可控因子容差扰动的影响导致不能获得真实稳健解的问题,提出一种考虑因子容差的稳健优化设计模型。该模型将多变量质量损失函数与双响应曲面法相结合并通过熵权理论科学设置各响应均值和标准差的权重,将多响应问题转化为求解综合质量损失最小值的问题,并考虑可控因子容差扰动对最优点可行稳健性的影响,同时考虑了优化结果的最优性与稳定性,且解决了由可控因子容差扰动的影响而不能获得真正稳健解的问题。为了验证所提方法的有效性,以双曲柔性铰链为优化对象进行分析,结果表明所提方法能有效提高响应对可控因子变化的稳健性及最优点的可行稳健性。     

基于蒙特卡罗法的行星齿轮机构稳健性分析

以行星齿轮机构体积最小为优化目标,以太阳轮齿数、齿宽、模数、行星齿轮个数为设计变量,以齿轮轮齿接触强度、齿轮轮齿弯曲强度、相邻条件等为约束条件,建立了某行星齿轮机构数学模型,并应用遗传算法求解了优化结果.将设计变量考虑为具有正态分布特征的随机变量,应用蒙特卡罗方法对行星齿轮机构进行稳健性分析,包括随机变量影响下的目标函数、约束条件的概率分布.分析表明,设计变量存在微小变化时,行星齿轮机构稳健性差.重新设定精度后,行星齿轮机构稳健性得到提高,满足了设计要求.     

基于性能稳健偏差的区间型参数稳健设计优化

提出了基于系统性能稳健偏差的稳健设计优化方法。该方法针对区间型参数非梯度性能函数的稳健设计问题，应用性能稳健偏差概念评估目标性能函数和约束性能函数的稳健性，形成了三层次稳健设计优化模型：①搜索优化设计点；②迭代策略搜索设计点的目标函数和约束函数的稳健偏差；③优化寻求给定性能偏差所对应的稳健性指数。该方法可获得同时满足约束条件和目标值稳健性要求的优化设计，并输出目标值及其稳健偏差。用三杆桁架结构稳健设计优化说明了该方法的用法和特点。     

基于稳健性和多目标优化的车顶结构轻量化设计研究

针对国内外顶结构轻量化的研究多是单目标优化,且没有考虑不确定性因素影响的问题,提出了一种基于多目标优化和6σ稳健性设计的车顶结构轻量化设计方法。通过参数试验设计进行了灵敏度分析,筛选出了对车顶响应贡献量较大的结构件厚度作为设计变量;采用最优拉丁超立方设计和响应面法建立了车顶各响应的近似模型;以设计变量总质量、覆雪强度、抗凹性能为优化目标,前三阶模态频率为约束条件,基于近似模型,运用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了确定性多目标优化,得到确定性多目标优化结果;运用蒙特卡洛模拟技术对确定性多目标优化结果进行了6σ质量分析,并进行了6σ稳健性多目标优化。优化结果表明,车顶结构在满足各性能要求的情况下实现了轻量化,质量减轻3.77 kg,且覆雪强度提高,同时车顶结构各工况性能的稳健性提高,达到6σ质量水平。     

车门结构多目标轻量化研究

针对现有结构多目标轻量化设计采用单一变量(如板件厚度为优化变量)的不足,将网格变形技术创建的形状变量引入到了车门结构多目标轻量化设计中,建立了以板件厚度与车门结构形状同时作为设计变量的参数化有限元模型。对该车门进行了动态试验测试,验证了有限元模型及计算结果的可靠性;考虑到该车门一阶频率过低的问题,将一阶频率最大、车门质量最小作为优化目标,垂向刚度、窗框刚度为约束,进行了试验设计(DOE),通过Kriging函数模型拟合了要优化的目标及约束,经过精度校验,验证了该近似函数模型符合精度要求;最后利用多目标遗传算法进行了寻优计算。研究结果表明:在垂向刚度、窗框刚度满足约束值的情况下,车门质量最终降低2.84 kg(减重达13%),一阶频率提高了25.8 Hz。     

工程稳健优化设计

本文从工程设计观点讨论了设计解的稳健性、稳健设计和稳健优化设计的基本概念,提出了一种基于随机优化技术的稳健优化设计的建模原理和求解算法,这一方法将通过调整设计变量的名义值和控制它的容差来考虑可控变量和不可控参数的变差对产品质量的影响,以提高设计解的可行稳健性和质量函数的不灵敏性。     

考虑疲劳可靠性的回转压头锁紧碟簧稳健设计

结合可靠性设计理论和稳健设计技术,以碟簧的疲劳可靠性为约束,碟簧组的轴向载荷及其方差为目标函数,建立了夹紧装置碟簧的稳健性优化模型,并进行了稳健优化。同时考虑了碟形弹簧各设计参数的不确定性对碟簧疲劳寿命和碟簧特性的影响,提高了设计结果的经济性和可靠性。     

车门隔声量的多学科设计优化

汽车NVH性能越来越受到生产商和消费者的重视,车内噪声水平是其重要的一项评价指标。对车门结构进行优化设计可以提高车门隔声量,降低车内噪声,提高整车NVH性能。文中分别运用质量定律和有限元方法计算简单板件的隔声量,有限元方法计算车门的隔声量并与车门隔声试验结果对比,证明有限元方法的准确性和方便性。考虑车门在模态、刚度、总质量的约束下,以车门隔声量最大为目标,对车门结构进行多学科优化设计。选取车门主要板件厚度作为优化变量,采用最优拉丁方试验设计采取样本点,多项式响应面法建立近似模型,运用连续二次规划优化算法求解优化问题最优解。优化后的车门与原车门相比,车门隔声量提高了1.2 d B,优化效果明显。     

基于物理规划的起重机主梁稳健优化设计

在机械优化设计中考虑载荷等不确定性因素的影响,用凸集模型描述设计中存在的不确定性,采用物理规划的方法构造不确定性参数的不满意度函数,通过极小化不满意度函数最差值的方法来实现目标函数的稳健性,通过最坏情况分析方法来实现约束函数的稳健性,使目标函数和约束函数都能实现稳健性。建立基于物理规划的稳健可靠性优化模型,这种模型是一种嵌套的优化模型,采用分层方法对其求解。以起重机主梁优化设计为例说明这种模型的合理性。     

不确定因素影响下的机床支承件多目标稳健性设计

针对机床支承件制造及工作过程中的不确定因素对其性能的影响问题,提出了以支承件静态刚度和重量为目标的稳健性优化设计方法。采用区间不确定性和稳健性设计方法构建了不确定性因素影响下的稳健性多目标优化问题的目标函数。以某立式铣削加工中心支承件立柱为例,选择机床切削点载荷作用下的位移和立柱重量为优化目标;通过分析立柱特征尺寸对目标函数的灵敏度确定优化变量;选取立柱密度、弹性模量及切削载荷为不确定变量;利用支持向量机方法构建了目标函数对优化变量和不确定变量的响应模型。利用隔代遗传算法和非支配排序遗传算法求解立柱多目标优化问题。对比分析了立柱不确定性优化和确定性优化设计结果,表明其在重量降低的前提下,刚度得到明显提升,且稳健性提高40%。     

基于固有振型的非确定性振动结构稳健拓扑优化

考虑结构材料弹性模量和质量密度的随机性,构建以期望固有振型为目标的振动结构稳健拓扑优化模型,其中引入加权系数构建包括原目标函数均值及其标准差的新目标函数,引入原约束函数的标准差及满足约束的概率指标作为稳健性约束条件.利用Monte Carlo模拟法求目标函数和约束函数的均值和方差.在计算目标函数和约束函数对设计变量灵敏度的基础上,采用序列线性规划方法进行优化求解.两个数值算例及其结果验证所建模型的合理性和方法的有效性.     

空间有界几何不确定性结构稳健性拓扑优化

在结构拓扑优化设计中,考虑到实际工程结构中存在的与材料性能、工作载荷等相关的不确定性,近年来发展了一系列稳健性拓扑优化方法。目前,稳健性拓扑优化的研究大多是基于结构确定的几何边界,事实上,加工制造误差或测量误差往往会带来结构边界的不确定性,忽略这类几何不确定性可能对导致结构设计对边界的微小波动非常敏感。针对设计域空间结构边界扰动的有界特质,采用区间场度量结构的几何不确定性,并基于切比雪夫多项式展开提出了一种高效的稳健性拓扑优化方法。首先,通过Heaviside密度过滤中投影阈值的区间场描述表征结构的边界扰动,并构造了基于最坏情况的稳健性拓扑优化模型;其次,基于区间KL(Karhunen-Loève)展开将区间场近似离散为有限个区间变量,并结合切比雪夫多项式展开方法求解稳健性目标函数及约束;随后,推导了稳健性目标函数及约束对设计变量的灵敏度信息,并采用基于梯度的优化算法更新拓扑设计变量;最后,通过多个数值算例验证所提出方法的有效性。数值算例分析结果表明,结构边界的几何不确定性波动对结构性能具有重要影响。相比于确定边界下的拓扑优化设计,考虑不确定性的拓扑优化设计在结构边界波动下具有更好的稳...     

基于响应面方法的微型车车门模态分析与优化

应用灵敏度分析方法和响应面法,优化车门结构模态。建立车门的有限元数值仿真模型,并通过约束模态测试对仿真模型进行标定。对车门第三阶模态频率关于车门板件厚度的灵敏度进行了研究,筛选出高敏板件并以这些板件的厚度为设计变量,运用面心复合设计方法获取样本点,构建了车门第三阶模态频率的二阶显式响应面函数。基于此响应面函数进一步建立了优化模型,结果显示改进车门厚度后,车门和白车身模态分离,同时实现省材5.83%。     

结构疲劳寿命稳健性优化设计

由于材料特性、构件的几何特性、载荷历程和环境条件等随机因素的影响,造成结构的疲劳寿命往往偏离结构的设计寿命.为了减少疲劳寿命的分散性,建立一种结构疲劳寿命稳健性优化模型.该模型将结构优化设计理论和随机有限元法相结合,在考虑设计变量和其他随机变量的变异性对结构疲劳寿命影响情况下,将结构疲劳寿命稳健性优化问题构造成包含结构疲劳寿命均值和标准差的双目标优化问题,并通过权因子来平衡结构疲劳寿命的均值和标准差关系,在约束函数中将结构疲劳寿命控制在最低寿命和最高寿命之间.经疲劳稳健性优化设计后的结构疲劳寿命在其均值处波动较小,而且分布曲线远离疲劳寿命底限.最后通过承受脉冲载荷的平面10杆桁架结构疲劳寿命稳健性优化算例显示了此方法的有效性.     

基于行人小腿保护的保险杠结构稳健性优化设计

为了增强保险杠结构的小腿保护功能,提出了将试验设计技术、径向基函数近似建模技术、全局优化算法和基于蒙特卡罗模拟技术的6σ质量设计相结合的稳健性优化设计方法,并应用该方法进行了保险杠结构的优化设计。优化结果表明,该方法大大提高了车辆的行人保护功能。由于在优化过程中考虑了设计变量的不确定影响,该方法比确定性的优化方法更具有可靠稳健性。因此,从一定程度上讲,该方法是一种求解复杂工程问题的稳健性优化设计方法,深入应用该方法能大幅提高产品的设计质量。