01 綜述

Isight是多學科優化軟件，可以集成不同學科的工程軟件，實現流程自動化。頭碰分析通常有加速度和變形量的要求，如圖1所示，10kg的剛體沖擊塊以1m/s的速度碰撞產品，要求沖擊頭位移小于16mm，通過優化設計使得加速度最小。優化變量范圍如表1。

圖1 優化變量

表1 優化變量范圍

02 Isight流程搭建

Isight流程如圖2，Catia和Abaqus均采用Simcode組件集成，需要錄制宏文件。有限元后處理采用python 腳本提取沖擊塊的加速度和位移，并用sae100Filter函數對加速度曲線進行濾波。利用Calculator中的max和min函數對post中提取的速度和位移向量取最值。輸入參數有8個，先采用正交設計，識別敏感度較高的因子。

圖2 Isight流程

      數據流如下如圖3，Doe中的幾何參數傳給Catia，厚度參數傳給Abaqus；Catia中生成的*.step文件傳給Abaqus，Abaqus計算的結果odb文件傳給post做數據處理；經濾波后的加速度A3和位移U3傳給Calculator求最值；最后將u3Max、a3Max傳給Doe。

圖3 數據流Dataflow

碰撞動畫、加速度曲線、位移曲線如下圖。

（a）碰撞動畫

（b）加速度 

（c）位移

圖4  Abaqus仿真結果

03 正交數組設計分析

      正交數組采用正交表安排多因子試驗。本試驗采用8因子2水平，識別敏感度較高的因子，以便進行后續的優化計算。設計矩陣如圖5，共12組試驗。

圖5 正交設計矩陣

      Pareto圖反應樣本擬合后模型中所有項對每個響應的貢獻程度的百分比，藍色表示正效應，紅色表示負效應。圖6為位移響應（u3Max）和加速度響應（a3Max）的Pareto圖，length_internal、Th_internal_flange、Th_internal_skin、length_external這4個因子的貢獻程度較大，因此選擇這4個因子來做近似模型。

（a）u3Max ParetoPlot

（a）a3Max Pareto Plot

圖6 Pareto圖

04 近似模型建立

優化拉丁方設計使所有的試驗點盡量均勻地分布在設計空間，具有很好的填充性和均衡性。采用優化拉丁方設計，因子為小節3中的4個因子，設計32組試驗。用RBF神經網絡模型來擬合設計空間，加速度（a3Max）和位移（u3Max）的誤差R-Squared分別為0.905和0.967，擬合精度較好，說明該近似模型可以反應因子和響應的關系。因子length_internal和Th_internal_skin對加速度和位移的影響如圖7，隨著碰撞區域厚度（Th_internal_skin）增加，加速度增大，位移減小；隨著碰撞區域長度（length_internal）增加，加速度減小，位移增大。

圖7 因子length_internal 和Th_internal_skin對加速度和位移的影響

05 利用近似模型進行優化

在小節4的近似模型基礎上采用NLPQL優化算法進行優化，流程如圖8。優化目標為加速度最小，約束為位移小于15.5mm。由于近似模型存在誤差，約束選擇小于15.5mm而不是16mm。如圖9所示，經過62次優化獲得收斂，加速度為114.6，位移為15.5mm。

圖8 優化流程圖

圖9 優化過程

      

      上述優化是基于近似模型的，需要建立有限元模型進行驗證，兩者對比數據如表2，誤差均小于5%，進一步說明近似模型的可靠性。

本案例只是提供工程優化的思路，復雜程度離實際工程項目相差較遠，僅供參考，如需源文件，請留言。

作者：周偉

來源： 豐賜科技一最優IT綜合解決方案商