劉 鋒,張瑞乾,2,陳 勇,2
(1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100192;2.北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100192)
目前為占領(lǐng)汽車(chē)市場(chǎng),各大汽車(chē)廠商都在加快汽車(chē)更新?lián)Q代的速度。而在更新?lián)Q代的過(guò)程中每次都伴隨著車(chē)身設(shè)計(jì)的改變。為了濃縮車(chē)身研發(fā)時(shí)間與成本,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAE,Computer Assistance Engineering)被廣泛運(yùn)用到整車(chē)設(shè)計(jì)階段。
隨著計(jì)算機(jī)水平的進(jìn)步,車(chē)身優(yōu)化方法與原來(lái)也出現(xiàn)了很大不同。其設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代優(yōu)化算法廣泛結(jié)合起來(lái)。文獻(xiàn)[1]通過(guò)增加車(chē)門(mén)內(nèi)部防撞板厚度,同時(shí)采用高強(qiáng)度鋼,提高車(chē)門(mén)耐撞性能,對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[2]使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)車(chē)門(mén)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]用有限元分析以及綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)某車(chē)型前門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高疲勞壽命。文獻(xiàn)[4]采用靈敏度分析對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化。文獻(xiàn)[5]采用部分因子設(shè)計(jì)對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]使用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)和構(gòu)建Kriging模型對(duì)某車(chē)門(mén)進(jìn)行多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[7]采用響應(yīng)面法對(duì)某微型車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行模態(tài)分析與優(yōu)化。文獻(xiàn)[8]使用響應(yīng)面法,徑向基函數(shù),以及Kriging模型對(duì)汽車(chē)耐撞性進(jìn)行優(yōu)化分析。文獻(xiàn)[9]通過(guò)徑向基函數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建白車(chē)身優(yōu)化近似模型以及側(cè)面碰撞二階逐次替換的自適應(yīng)響應(yīng)面模型,最后利用退火算法對(duì)目標(biāo)車(chē)身進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]根據(jù)最優(yōu)拉丁試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)變量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與抽樣,利用移動(dòng)最小二乘響應(yīng)面法構(gòu)建白車(chē)身多目標(biāo)優(yōu)化近似模型,最后利用多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解與優(yōu)化。各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、近似模型以及優(yōu)化算法被用到車(chē)身及部件優(yōu)化過(guò)程中來(lái),使得優(yōu)化過(guò)程速度更快,優(yōu)化的結(jié)果更為準(zhǔn)確。相比原來(lái)的靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法表現(xiàn)出很多的優(yōu)越性和先進(jìn)性。
以某還在分析階段的車(chē)門(mén)為例,對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行有限元分析。為了盡量減少用料,滿足性能,達(dá)到輕量化研究的目的。提出的研究方法為,采用哈默斯雷(Hammersley)抽樣方法對(duì)車(chē)門(mén)部件進(jìn)行抽樣。然后采用Hyper Kriging完成擬合近似模型的建立。最后在Hyper Study中通過(guò)改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。對(duì)求解后的模型進(jìn)行模態(tài)驗(yàn)證。
進(jìn)行有限元分析前,反復(fù)檢查車(chē)門(mén)三維數(shù)模的正確與規(guī)范性。將車(chē)門(mén)薄板使用2D殼單元模擬。為了提高有限元仿真的精度與計(jì)算時(shí)間,設(shè)定網(wǎng)格的基本尺寸為8mm,尺寸標(biāo)準(zhǔn)為3mm≤8mm≤15mm。有限元模型建立完成后共有51801個(gè)2D 單元,網(wǎng)格分為CQUAD4單元和CTRIA3單元。其中三角形網(wǎng)格為2640個(gè),占總數(shù)5.1%,符合建模要求。部件之間包邊區(qū)域采用一排單元模擬,用RBE2模擬螺栓連接,Adhesives模擬粘膠連接,用Spot面板實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊,采用ACM類(lèi)型3D單元完成二層焊和三層焊的模擬。
網(wǎng)格模型建立完成后在Hyper Mesh中對(duì)各部件賦予屬性和材料主要為高強(qiáng)鋼(密度ρs=7.9×103kg/m3、彈性模量Es=206800MPa、泊松比μs=0.3)。同時(shí)采用結(jié)構(gòu)膠(密度ρG=1.1×103kg/m3、彈性模量EG=40MPa,泊松比μG=0.49)。模型建立完成后質(zhì)量為16.22kg,其有限元模型,如圖1所示。
圖1 車(chē)門(mén)有限元模型Fig.1 Car Door Finite Element Model
針對(duì)上述車(chē)門(mén)分析情況,對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化。提出的研究思路為在保證一階彎曲模態(tài)和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)符合目標(biāo)值的情況下,將車(chē)門(mén)部分零件厚度尺寸作為設(shè)計(jì)變量,提升內(nèi)板局部模態(tài),同時(shí)減輕車(chē)門(mén)質(zhì)量。其目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下:
式中:mass—車(chē)門(mén)質(zhì)量;ti—優(yōu)化部件厚度值;mi—變量板塊質(zhì)量;m0—非優(yōu)化變量質(zhì)量總和—第i部件的原始厚度;tmax、tmin—設(shè)計(jì)變量的上下限;ω1、ω2—一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)值。
考慮到車(chē)門(mén)部件在設(shè)計(jì)優(yōu)化階段的復(fù)雜性,通過(guò)Altair Hyper Works軟件進(jìn)行優(yōu)化。采用哈默斯雷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。并且采用Hyper Kriging模型構(gòu)建車(chē)門(mén)優(yōu)化近似模型。然后采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)質(zhì)量、模態(tài)等性能參數(shù)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化求解。最后結(jié)果在滿足車(chē)門(mén)模態(tài)的同時(shí),追尋車(chē)門(mén)的輕量化設(shè)計(jì)。
目前針對(duì)車(chē)身部件優(yōu)化的主要問(wèn)題在于對(duì)車(chē)身優(yōu)化部件的選取問(wèn)題。因?yàn)檐?chē)身部件眾多,全部?jī)?yōu)化不僅會(huì)耗時(shí)費(fèi)力,可能優(yōu)化效果也得不到提高。隨著現(xiàn)代抽樣技術(shù)的發(fā)展,很多試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案涌現(xiàn)出來(lái)。例如全因子、部分因子、中心復(fù)合、最優(yōu)拉丁超立方以及哈默斯雷等試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)優(yōu)化部件有多個(gè)設(shè)計(jì)變量時(shí)進(jìn)行采樣。這里針對(duì)模型表征和所用優(yōu)化軟件的特性,采取哈默斯雷采樣評(píng)估方法對(duì)樣本進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
文獻(xiàn)[11]介紹Hammersley抽樣屬于類(lèi)蒙特卡洛方法的研究范疇。該方法基于Hammersley點(diǎn),利用偽隨機(jī)數(shù)值發(fā)生器在超立方體中均勻采樣。其突出點(diǎn)在于可用較少的樣本來(lái)提供可靠的輸出統(tǒng)計(jì)估計(jì)值。并且它能在K維超立方體上獲得良好的均勻分布,這是Hammersley抽樣優(yōu)于全因子、中心復(fù)合設(shè)計(jì)以及拉丁超立方等采樣方法的特點(diǎn)。與拉丁超立方DOE(Design of Experiment)一樣,哈默斯雷DOE在探索整個(gè)設(shè)計(jì)空間和創(chuàng)建精確響應(yīng)的擬合函數(shù)方面特別有用。同時(shí)可以分別提供每個(gè)維度的良好一致性。為了拉丁超立方體DOE獲得高質(zhì)量的擬合函數(shù),應(yīng)該計(jì)算最小運(yùn)行次數(shù)。為此哈默斯雷采樣為N個(gè)設(shè)計(jì)生成n個(gè)設(shè)計(jì)變量值,如式(2)所示。
式中:N—設(shè)計(jì)數(shù);n—變量數(shù);P—設(shè)計(jì)指數(shù);Ri—第i個(gè)n-1 素?cái)?shù),?R計(jì)算如下:
式中:pi—系數(shù);p可以用基數(shù)R表示為:
本次優(yōu)化根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)在部件上采取了120個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中某部件的哈默斯雷采樣結(jié)果,如圖2所示。
圖2 質(zhì)量隨某部件的Hammersley采樣關(guān)系Fig.2 Hammersley Sampling Relationship Between Quality and a Component
進(jìn)行Hammersley抽樣試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是確定車(chē)門(mén)哪些部件對(duì)輸出目標(biāo)響應(yīng)影響最大。確定將有影響的部件尺寸變量設(shè)置在何值時(shí)使輸出響應(yīng)接近所設(shè)定的目標(biāo)值。通過(guò)控制系統(tǒng)的不可控參量達(dá)到對(duì)輸出響應(yīng)影響最小的目的。使輸出目標(biāo)變化最小,最終用來(lái)搭建車(chē)門(mén)優(yōu)化近似模型來(lái)替換計(jì)算量巨大的實(shí)際模型求解。
對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)之后就是對(duì)優(yōu)化構(gòu)建近似模型。常用的近似模型方法有Kriging、最小二乘法(LSR)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)以及移動(dòng)最小二乘法等近似模型。Altair Hyper Study 在Kriging 模型改進(jìn)基礎(chǔ)上,為用戶提供了一種Hyper Kriging 模型近似方法,和其它近似方法一樣,Hyper Kriging使用DOE模型點(diǎn)處采樣點(diǎn)的響應(yīng)值來(lái)構(gòu)建近似模型。其響應(yīng)值與自變量之間的關(guān)系,如式(6)所示。
式中:f(x)—未知的近似模型;D(x)—關(guān)于x的確定性函數(shù),常用多項(xiàng)式表示;c(x)假設(shè)為高斯靜態(tài)過(guò)程。
Kriging最初是在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。他是由采礦工程師D.G.Krige發(fā)展起來(lái)的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。同時(shí)也被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與分析(Design and Analysis of Computer Experiments,DACE)。
克里金法是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對(duì)隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行空間建模和預(yù)測(cè)的回歸算法,能給出最有線性無(wú)偏估計(jì)(Best Linear Unbiased Prediction,BLUP)。其協(xié)方差為:
克里金法基于Kriging方法構(gòu)建近似模型,同時(shí)在工程問(wèn)題的數(shù)值試驗(yàn)中可作為代理模型對(duì)有限的模擬結(jié)果進(jìn)行插值。在曲線原有DOE采樣點(diǎn)處的響應(yīng)值產(chǎn)生一個(gè)插值模型。
Hyper Kriging方法是基于Kriging方法的Hyper Study近似模型構(gòu)建方法。Hyper Kriging 試圖通過(guò)殘差趨近于0的精確采樣點(diǎn)。由于沒(méi)有關(guān)于擬合質(zhì)量的相關(guān)信息,為了對(duì)Hyper Kriging擬合的質(zhì)量進(jìn)行一些診斷,在創(chuàng)建Hyper Kriging擬合模型時(shí)使用驗(yàn)證矩陣是非常重要的。使用Hyper Kriging模型中質(zhì)量響應(yīng)隨某兩個(gè)設(shè)計(jì)變量取值圖,如圖3所示。表示出Kriging模型經(jīng)過(guò)采樣點(diǎn)處的響應(yīng)值,從而使近似模型結(jié)果更準(zhǔn)確。
圖3 質(zhì)量響應(yīng)與設(shè)計(jì)變量關(guān)系圖Fig.3 Relationship Between Quality Response and Design Variables
通常為了對(duì)模型擬合質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),采用模型校正樣本點(diǎn)增加擬合質(zhì)量。近似模型經(jīng)過(guò)所有的初始樣本點(diǎn),但有可能不會(huì)經(jīng)過(guò)校正樣本點(diǎn)。
構(gòu)建近似模型后采取優(yōu)化算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)近似模型的適應(yīng)性和優(yōu)化算法的遴選,此處使用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。
遺傳算法是一種基于進(jìn)化論的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。遺傳算法區(qū)別于傳統(tǒng)優(yōu)化方法在于其是一種種群進(jìn)化技術(shù)。首先選擇具有高適應(yīng)性的個(gè)體。根據(jù)選定的初始個(gè)體,進(jìn)行遺傳操作算子衍生成為下一代,一代代子個(gè)體將與所選的另一類(lèi)個(gè)體遵循一定變異率進(jìn)行交叉和變異。所繁衍的個(gè)體成為下一代的候選解,這一過(guò)程將被重復(fù)很多代,以使總體不斷演化,種群不斷優(yōu)化,從而獲得優(yōu)化問(wèn)題的最佳解。
這里所使用的遺傳算法是基于Hyper Study優(yōu)化程序改進(jìn)的一種遺傳算法。該算法具有以下特點(diǎn):
(1)將種群中的一小部分精英種群直接保存至下一代。
(2)根據(jù)所定義的優(yōu)化問(wèn)題自動(dòng)確定種群大小,如果(種群規(guī)模,Genetic Method Population Size)GAPOPS=0,則根據(jù)以下函數(shù)計(jì)算種群大小,式中N是設(shè)計(jì)變量的數(shù)量。
(3)提供三類(lèi)交叉操作:?jiǎn)吸c(diǎn)交叉,兩點(diǎn)交叉和均勻交叉。
(4)采用指定子種群大小的競(jìng)賽選擇,從隨機(jī)選取的子種群中選出最優(yōu)個(gè)體。
(5)在任一代中如果存在兩個(gè)完全相同的個(gè)體,則用隨機(jī)產(chǎn)生的新個(gè)體取代其中之一。
(6)以一定概率對(duì)個(gè)體進(jìn)行變異同時(shí)可設(shè)置變異率。突變率范圍一般在(0.1~0.6),數(shù)值越大,隨機(jī)效應(yīng)越大。因此GA 在全局范圍內(nèi)進(jìn)行更多的探索。但這種趨同可能會(huì)更為緩慢。
(7)對(duì)于約束優(yōu)化問(wèn)題,采用外點(diǎn)罰函數(shù)將約束問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束問(wèn)題。將罰函數(shù)定義在可行域外部,這樣在計(jì)算時(shí)只需考慮違反約束的設(shè)計(jì)。適應(yīng)度函數(shù)定義如下:
(8)與其它優(yōu)化方法相比,遺傳算法沒(méi)有明顯的收斂特性。關(guān)于遺傳算法收斂問(wèn)題可以用允許運(yùn)行最小迭代次數(shù)(Minimum Iterations,MINDES),m次迭代目標(biāo)變化小于0.001來(lái)表示。數(shù)學(xué)模型表述為:
式中:f—目標(biāo)值;k—當(dāng)前迭代次數(shù);m—全局搜索參數(shù)比例;cmax—最大違反約束;gmax—允許違反約束。
(9)用戶可以通過(guò)最大迭代次數(shù)和種群數(shù)來(lái)控制計(jì)算量。數(shù)值越大,解的精度越高,找到最優(yōu)解就需要更多的計(jì)算時(shí)間。
(10)除了最大迭代次數(shù),Hyper study引入全局搜索水平來(lái)強(qiáng)化對(duì)收斂進(jìn)程的控制。其基本原理為:越高的全局搜索水平有著相應(yīng)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖諗繙?zhǔn)則,算法將使用更多的隨機(jī)運(yùn)算來(lái)搜索整個(gè)設(shè)計(jì)空間。設(shè)置全局搜索GAGLOB(Genetic Algorithm Global Search)值越大,得到全局最優(yōu)解的概率就越大,但需要計(jì)算時(shí)間就越多。
遺傳算法從設(shè)計(jì)群體的創(chuàng)造開(kāi)始。然后根據(jù)這些設(shè)計(jì)的適合度進(jìn)行排名。通過(guò)違反約束和目標(biāo)函數(shù)值的函數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估一個(gè)設(shè)計(jì)的適應(yīng)度。然后通過(guò)遺傳算子的應(yīng)用,典型的交叉和變異,復(fù)制選定的設(shè)計(jì)變量。從這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的個(gè)體成為下一代成員。這個(gè)過(guò)程重復(fù)很多代,直到種群進(jìn)化收斂到最優(yōu)解為止。其求解流程,如圖4所示。
圖4 遺傳算法不同階段的流程圖Fig.4 Flow Chart of Different Stages of Genetic Algorithm
在遺傳算法求解過(guò)程中滿足以下條件時(shí),遺傳算法終止優(yōu)化:(1)滿足收斂條件;(2)到達(dá)最大迭代次數(shù);(3)分析失敗。
在使用改進(jìn)遺傳算法對(duì)車(chē)門(mén)優(yōu)化過(guò)程中,通過(guò)近3000次新的種群進(jìn)化。某部件遺傳迭代求解結(jié)果,如圖5所示。為質(zhì)量隨設(shè)計(jì)變量在遺傳算法過(guò)程中的響應(yīng)。
圖5 質(zhì)量響應(yīng)Fig.5 Mass Response
經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)變量的迭代結(jié)果,同時(shí)為將部件設(shè)計(jì)尺寸與汽車(chē)板件推薦公稱(chēng)厚度值一致,對(duì)其進(jìn)行圓整結(jié)果,如表1所示。
表1 原車(chē)門(mén)與優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量對(duì)比Tab.1 Comparison of Original Door and Optimized Design Variables
從上述結(jié)果可以看出,所使用的改進(jìn)的遺傳算法比傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的先進(jìn)在可以將該遺傳算法歸納為探索性方法,可以在短時(shí)間內(nèi)完成大量設(shè)計(jì)工作,同時(shí)種群設(shè)計(jì)可以并行運(yùn)行,最后不表示其它算法的典型收斂性。
運(yùn)用Hyper Works 對(duì)車(chē)門(mén)自由模態(tài)進(jìn)行分析。其質(zhì)量和一階彎曲模態(tài)、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)等相關(guān)數(shù)值,如表2所示。根據(jù)企業(yè)的分析標(biāo)準(zhǔn)。其一階彎曲模態(tài)和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)均大于目標(biāo)值,符合要求。
表2 優(yōu)化前后質(zhì)量、模態(tài)對(duì)比Tab.2 Quality and Modal Comparison Before and After Optimization
適合度值高的直接傳給下一代,這是遺傳算法保證解質(zhì)量不下降的一個(gè)非常重要的策略。更大的種群意味著更多的個(gè)體將直接傳遞給下一代,所以新基因被引入的機(jī)會(huì)較小,可以提高收斂速度。缺點(diǎn)是過(guò)大的值可能導(dǎo)致過(guò)早收斂,同時(shí)根據(jù)生成隨機(jī)數(shù)序列的方式控制運(yùn)行的重復(fù)性。同時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)懲罰權(quán)重與懲罰乘數(shù):罰權(quán)在適應(yīng)度函數(shù)中的表述為外部罰函數(shù)。初始懲罰乘數(shù)在適應(yīng)度函數(shù)的形式化為外部懲罰函數(shù)。隨著迭代步驟的進(jìn)行,懲罰乘數(shù)將逐漸增大。一般來(lái)說(shuō),值越大,迭代步驟越小,解就越可行;但值太大,可能導(dǎo)致解越差。(2)分布指數(shù):實(shí)數(shù)編碼遺傳算法使用的分布索引。此參數(shù)控制子代個(gè)體接近或遠(yuǎn)離父代個(gè)體,增加這個(gè)值將導(dǎo)致后代個(gè)體更接近父代個(gè)體。(3)約束閾值:此參數(shù)用于約束值計(jì)算。一般來(lái)說(shuō),約束值被規(guī)范化為其邊界值。一個(gè)例外是如果約束值的絕對(duì)界限值小于此參數(shù),則約束值不會(huì)規(guī)范化。
國(guó)內(nèi)對(duì)車(chē)身工程設(shè)計(jì)階段的方法已經(jīng)由原來(lái)的靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法輔助車(chē)身工程設(shè)計(jì)階段的過(guò)程。通過(guò)車(chē)身部件與現(xiàn)代設(shè)計(jì)優(yōu)化算法相結(jié)合的理念對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化分析。與此同時(shí)也可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。(1)Hammersley抽樣能很好的解決車(chē)門(mén)等車(chē)身部件對(duì)設(shè)計(jì)變量在優(yōu)化過(guò)程的選擇。(2)Hyper Kriging近似模型的使用優(yōu)越于其它近似模型在于它的準(zhǔn)確性要高。(3)通過(guò)Hyper Study改進(jìn)的遺傳算法在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中有很好的適應(yīng)性,同時(shí)可以據(jù)此發(fā)展采用胡可-吉維斯法(Hooke-Jeeves Method)的混合算法和基于元模型的方法(Meta-Model Based Method)。(4)經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化,車(chē)門(mén)質(zhì)量減輕了0.33kg。同時(shí)其一階彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)沒(méi)有多大變化。為車(chē)身及其部件優(yōu)化提供新的設(shè)計(jì)方法和途徑。