多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計在汽車設(shè)計中的應(yīng)用姓名：廣廓班級：研1202班學(xué)號：2012020060

目錄目錄 1前言 2一、國內(nèi)研究現(xiàn)狀 31、輕量化設(shè)計 32、結(jié)構(gòu)優(yōu)化 43、性能優(yōu)化 64、汽車設(shè)計中的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化新方法 7二、國外研究現(xiàn)狀 7三、總結(jié) 12四、參考文獻(xiàn) 13

前言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)、汽車、機(jī)床等大型機(jī)械的構(gòu)造越來越復(fù)雜。其設(shè)計過程必然更加復(fù)雜，往往需要綜合數(shù)十門學(xué)科的知識來進(jìn)行設(shè)計。雖然每個學(xué)科領(lǐng)域都形成了自己的一套研究方法與發(fā)展思路，但各學(xué)科之間明顯缺乏溝通與聯(lián)系。另一方面，傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計一般采用串行設(shè)計方式，集中在某個零件或是只考慮某一個性能或?qū)W科的影響，人為地割裂了整個系統(tǒng)內(nèi)各學(xué)科之間的相互作用，并沒有利用各學(xué)科之間相互影響產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。這種設(shè)計方法只能獲得局部的最優(yōu)解，卻有可能失去系統(tǒng)最優(yōu)解，甚至產(chǎn)生矛盾，而且設(shè)計周期長，成本高。然而，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計MDO（MultidisciplinaryDesignOptimization），可針對產(chǎn)品設(shè)計面臨的復(fù)雜問題以及優(yōu)化方法本身不足，通過充分利用和探索系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論。從而有效的設(shè)計和優(yōu)化策略、組織和管理設(shè)計過程，充分利用多學(xué)科相互作用產(chǎn)生的協(xié)調(diào)效應(yīng)獲得系統(tǒng)最優(yōu)解，縮短設(shè)計周期，節(jié)約成本。汽車產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)是建立在相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)之上的系統(tǒng)集成技術(shù)，現(xiàn)代社會要求開發(fā)的汽車產(chǎn)品質(zhì)量輕、價格低、能耗少和性能穩(wěn)定，也就是要求汽車的整體性能最優(yōu)。其設(shè)計過程涉及發(fā)動機(jī)、傳熱、熱力、液壓、傳動、力學(xué)、空氣動力、控制工程、電子電器、外觀造型、人機(jī)工程等專業(yè)的知識。同時，還要考慮國家產(chǎn)業(yè)政策、相關(guān)法律法規(guī)、市場需求、制造工藝、制造成本、可靠性、人力及計算機(jī)資源等因素，而且也要考慮這些因素之間所產(chǎn)生的相互影響、相互作用的耦合關(guān)系[1]。為了解決上述問題，在汽車設(shè)計過程中引入多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法，以達(dá)到汽車的整體性能最優(yōu)。

一、國內(nèi)研究現(xiàn)狀1、輕量化設(shè)計汽車輕量化在節(jié)約能源的同時又降低了成本，其優(yōu)化設(shè)計需要考慮車身各項性能。運(yùn)用多學(xué)科的集成優(yōu)化設(shè)計，尋找系統(tǒng)整體的最優(yōu)解。史國宏、陳勇等人針對白車身的輕量化設(shè)計，建立了參數(shù)化模型。通過多學(xué)科優(yōu)化，根據(jù)白車身自身性能的特點對其分成不同的優(yōu)化區(qū)域分別進(jìn)行不同工況的優(yōu)化，找到白車身零件形狀、尺寸、位置與厚度等各參數(shù)之間的最佳組合，以及滿足系統(tǒng)各項性能要求的重量最優(yōu)解，使白車身輕量化設(shè)計的潛能得到最大程度的發(fā)揮。同時利用方差分析方法，對各設(shè)計變量對性能的貢獻(xiàn)量與主效應(yīng)進(jìn)行分析，掌握設(shè)計變量對剛度，模態(tài)、被動安全性能以及重量的影響規(guī)律[2]。圖1分優(yōu)化區(qū)域的整車白車身參數(shù)化模型圖2優(yōu)化循環(huán)過程表1設(shè)計變量優(yōu)化結(jié)果張勇、李光耀等人針對整車輕量化設(shè)計應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，采用了一種新型的響應(yīng)面構(gòu)建方法構(gòu)建了整車耐撞性與白車身自由模態(tài)多學(xué)科系統(tǒng)的近似模型。通過對模型進(jìn)行優(yōu)化獲得了在滿足CMVDR294安全法規(guī)的同時,使得白車身的扭轉(zhuǎn)模態(tài)值得到提高,汽車重量得到較大程度減輕的最優(yōu)解[3]。設(shè)計變量和響應(yīng)的初始值和優(yōu)化值如下表所示：表2設(shè)計變量優(yōu)化結(jié)果胡朝輝、成艾國等人在拼焊板車門輕量化設(shè)計中應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。通過建立拼焊板內(nèi)板門系統(tǒng)的剛度、強(qiáng)度、側(cè)碰安全性多學(xué)科系統(tǒng)的近似模型，將拼焊板內(nèi)板焊縫線位置及各板件的厚度作為設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化,在車門系統(tǒng)的下垂剛度、強(qiáng)度及側(cè)碰性能得到提高的同時,車門系統(tǒng)質(zhì)量也得到較大程度的減小[4]。圖3車門系統(tǒng)有限元模型表3設(shè)計變量初始值、取值范圍和優(yōu)化值（mm）2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化王振，成艾國等人針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用HyperStudy優(yōu)化軟件，采用均勻拉丁方實驗設(shè)計方法進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)設(shè)計，利用最小二乘法構(gòu)建了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度、強(qiáng)度、NVH多學(xué)科系統(tǒng)的近似響應(yīng)面優(yōu)化模型，從而對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多學(xué)科優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在剛度、強(qiáng)度及NVH性能有所提高的同時，重量得到較大程度的減輕[5]。圖4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型表4設(shè)計變量初始值、取值范圍和優(yōu)化值高大威，鄧有志等人將采用超高強(qiáng)度鋼22MnB5材料的車門防撞桿的截面尺寸作為設(shè)計變量，防撞桿的質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，以車門下沉工況的最大變形和殘余變形、側(cè)碰代替工況中不同位移下的耐撞力作為約束。采用最優(yōu)拉丁方試驗設(shè)計方法進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)設(shè)計，使用逐步回歸多項式響應(yīng)面方法構(gòu)建車門系統(tǒng)下沉剛度以及側(cè)碰安全性多學(xué)科系統(tǒng)的近似模型。利用可行方向法對近似模型進(jìn)行優(yōu)化，在車門系統(tǒng)的下沉剛度及側(cè)碰性能得到一定提高的同時，得到防撞桿減重34.7%的效果，并且與原有模型進(jìn)行分析比較，各項評價指標(biāo)均有提高[6]。蘇瑞意，桂良進(jìn)等人對某全承載大客車車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行包括輕量化、剛度、強(qiáng)度、振動模態(tài)和翻滾的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，以提高客車的綜合性能。首先建立大客車車身結(jié)構(gòu)有限元模型，其中剛度、強(qiáng)度以及振動模態(tài)分析由Msc.Nastran完成，翻滾分析由顯式動力學(xué)軟件Ls-dyna完成。其次結(jié)合工藝要求和靈敏度分析結(jié)果，選擇出各學(xué)科的設(shè)計變量，用優(yōu)化的拉丁方方法完成試驗設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面方法建立各學(xué)科結(jié)構(gòu)響應(yīng)的近似模型。建立客車車身骨架結(jié)構(gòu)的多學(xué)科優(yōu)化模型，并用協(xié)同優(yōu)化方法求解。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的設(shè)計方案在輕量化、剛度、強(qiáng)度、模態(tài)振動和翻滾安全性方面均優(yōu)于原設(shè)計方案[7]。圖5剛度、強(qiáng)度和振動模態(tài)分析有限元模型圖6翻滾分析有限元模型圖7大客車協(xié)同優(yōu)化設(shè)計示圖表5優(yōu)化結(jié)果3、性能優(yōu)化胡文婕和陳亮針對汽車盤式制動器運(yùn)用iSIGHT進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。綜合考慮汽車盤式制動器的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)、熱力學(xué)等問題,基于iSIGHT集成Matlab和ANSYS,構(gòu)建制動器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化仿真流程及平臺,在Matlab中建立制動器時間模型,在ANSYS中建立制動器結(jié)構(gòu)模型和溫度場模型。通過二次開發(fā)實現(xiàn)參數(shù)的提取、輸出、更新以及各軟件間的數(shù)據(jù)交換，運(yùn)用數(shù)值分析計算進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化分析和設(shè)計。優(yōu)化后改善了制動器制動效果,縮短了制動時間并減小了制動器質(zhì)量[8]。圖8盤式制動器MDO集成框架圖9盤式制動器MDO實施模型圖10制動器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化集成平臺表6運(yùn)行結(jié)果李鐵柱，李光耀等人運(yùn)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化對汽車乘員艙安全性與舒適性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。針對某款車的乘員艙布置，在該車100%正面碰撞試驗基礎(chǔ)上，通過乘員損傷分析軟件建立該車的正面碰撞乘員約束系統(tǒng)模型并對模型進(jìn)行驗證用于評估其安全性；同時也基于關(guān)節(jié)強(qiáng)度的概念建立乘員舒適性模型。為提高計算效率，通過試驗設(shè)計構(gòu)建乘員約束系統(tǒng)的Kriging近似模型用于代替仿真模型。優(yōu)化后在較好地滿足乘員安全性的同時提高了乘員的乘坐舒適性，在乘員艙布置方面具有較強(qiáng)的工程實用性[9]。圖11完整的駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型圖12協(xié)同優(yōu)化方法的基本框架表7優(yōu)化計算結(jié)果4、汽車設(shè)計中的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化新方法趙遷，陳瀟凱，林逸為了更好地處理經(jīng)常遇到的準(zhǔn)可分MDO問題，提出了一種新的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法，即基于罰函數(shù)的兩級交替優(yōu)化方法（Two-levelalternatingoptimizationmethodbasedonpenaltyfunction,PAO）。PAO基于分解協(xié)調(diào)策略，首先將準(zhǔn)可分MDO問題分解為一個系統(tǒng)級問題和多個子系統(tǒng)級問題，然后通過交替求解達(dá)到子系統(tǒng)間的一致性。運(yùn)用PAO方法對整車碰撞性能的優(yōu)化設(shè)計[10]。圖13PAO方法計算過程圖14整車模型設(shè)計變量二、國外研究現(xiàn)狀FabianDuddeck針對車身進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。建立整車模型后，基于以下四個基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化：1、整車NVH模型分析；2、單一碰撞和線性靜力學(xué)與動力學(xué)的簡化多學(xué)科問題；3、橫向沖擊問題的多標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化；4、小形狀優(yōu)化問題，包括證明結(jié)果潛在轉(zhuǎn)移到基于結(jié)構(gòu)形狀實際變化的復(fù)雜問題。研究隨機(jī)算法評估：對模擬退火、遺傳和進(jìn)化算法進(jìn)行測試。以目前產(chǎn)品開發(fā)過程為例，驗證完整產(chǎn)業(yè)多學(xué)科研究結(jié)果[11]。圖15避免跨學(xué)科迭代的多學(xué)科同時優(yōu)化方案圖16四種基準(zhǔn)的評價研究S.Kodiyalam,R.J.Yang等人針對在可擴(kuò)展的高性能計算環(huán)境下的車輛系統(tǒng)進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。提出利用幾百個處理器結(jié)合近似法所形成的高性能計算與標(biāo)準(zhǔn)MDO策略和工程判斷相結(jié)合，可以在獲得最優(yōu)解的同時顯著減少計算時間。將這種方法應(yīng)用于汽車設(shè)計周期，根據(jù)前碰撞、正面偏執(zhí)碰撞、側(cè)碰撞、頂部碰撞以及NVH的安全準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化，可以減少大型MDO的計算時間并且提高工程生產(chǎn)率。[Multidisciplinarydesignoptimizationofavehiclesysteminascalable,highperformancecomputingenvironment]圖17前碰撞模型圖18正面偏執(zhí)碰撞模型圖19頂部碰撞模型圖20側(cè)碰撞模型圖21NVH模型表8車輛系統(tǒng)MDO結(jié)果EdwardJ.Park,LuisFalca?odaLuz等人提出了一種新型機(jī)電制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁流變流體技術(shù)。該技術(shù)在設(shè)計時需要考慮磁路設(shè)計要求、扭矩要求、重量限制要求、尺寸和溫度要求，涉及電磁學(xué)、流體流動與傳熱分析等學(xué)科，通過多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，得到最優(yōu)解[13]。圖22磁流變制動器基本結(jié)構(gòu)表9優(yōu)化結(jié)果YupingHe,JohnMcPhee運(yùn)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化對機(jī)電車輛主動懸架的設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。通過在MATLAB仿真環(huán)境中建立線性機(jī)械車輛模型，利用線性二次高斯方法、卡爾曼濾波算法以及遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的主動懸架系統(tǒng)具有更好的整體性能[14]。圖23優(yōu)化設(shè)計方法結(jié)構(gòu)圖表10優(yōu)化結(jié)果C.H.Chuang&R.J.Yang等人結(jié)合先進(jìn)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法，針對車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。構(gòu)成車輛結(jié)構(gòu)所運(yùn)用的零部件材料是軋制差厚板，它是用一種新型的軋鋼工藝生產(chǎn)的，其優(yōu)點是減輕重量，減少零件的復(fù)雜性，從而降低成本。同時，考慮到汽車強(qiáng)度、NVH的設(shè)計要求，通過建立響應(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)化，以獲得不同位置截面的最佳厚度分布。[Multidisciplinarydesignoptimizationonvehicletailorrolledblankdesign]圖24軋制差厚板生產(chǎn)過程示意圖圖25MDO流程圖圖26某一截面優(yōu)化后的厚度分布圖

三、總結(jié)根據(jù)所查文獻(xiàn)，可以看出，目前國內(nèi)外的研究主要集中在將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化應(yīng)用于車身設(shè)計中，通過多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化對車身結(jié)構(gòu)尺寸、形狀進(jìn)行優(yōu)化。不同的是，國內(nèi)的研究成果以輕量化為主，國外是以NVH和碰撞性能為主。除此之外，國內(nèi)外也將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化應(yīng)用于車身零部件的設(shè)計中，國內(nèi)的研究成果中甚至提出了新型的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法。值得注意的是，所查的外文文獻(xiàn)是2004到2007年，而中文文獻(xiàn)是2006年到2012年。所以從論文發(fā)表時間來看，國內(nèi)的研究水平與國外有一定的差距。

四、參考文獻(xiàn)[1]屈翔,游四海,賈秋紅.多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計及其在汽車設(shè)計中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報,2006,(11):26-28+58.[2]史國宏,陳勇,楊雨澤,姜欣,宋正超.白車身多學(xué)科輕量化優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,(08):110-114.[3]張勇,李光耀,孫光永,韓旭.多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在整車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].中國機(jī)械工程,2008,(07):877-881.[4]胡朝輝,成艾國,王國春,鐘志華.多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計在拼焊板車門輕量化中的應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程,2010,(04):495-499.[5]王振,成艾國,胡朝輝,包鍵.MDO在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].計算機(jī)仿真,2011,(08):310-314.[6]高大威,鄧有志,高云凱.超高強(qiáng)度鋼車門防撞桿結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化[J].公路交通科技,2012,(06):144-149+158.[7]蘇瑞意,桂良進(jìn),吳章斌,田程,馬林,范子杰.大客車車身骨架多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械工程學(xué)報,2010,(18):128-133.[8]胡文婕,陳亮.基于iSIGHT的汽車盤式制動器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2010,(05):17-20.[9]李鐵柱,李光耀,顧紀(jì)超,董立強(qiáng).汽車乘員艙安全性與舒適性多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,(02):138-145.[10]趙遷,陳瀟凱,林逸.基于新的MDO方法的整車抗撞性設(shè)計及優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2010,(06):1487-1491.[11]FabianDuddeck,Multidisciplinaryoptimizationofcarbodies,StructuralandMultidisciplinaryOptimization,April2008,

Volume35,

Issue4,

pp375-389.[12]Kodiyalam,S,Yang,R.J,Gu,L,Tho.C.-H.,Multidisciplinarydesignoptimizationofavehiclesysteminascalable,highperformancecomputingenvironment,StructuralandMultidisciplinaryOptimization,v26,n3-4,p256-263,Feb