副车架多学科优化及轻量化优化设计

前言：副车架需要考察的性能包括强度、模态、安装点动刚度、疲劳等性能。轻量化优化需要在满足以上所有性能要求的基础上进行优化设计。多学科优化可以在同时考虑以上所有性能约束的基础上进行轻量化优化设计。对副车架建立全参数化模型，全参模型包括料厚、形状、特征等等所有可参对象。（如果需要同时考虑碰撞性能，可以增加材料牌号参数）

求解器：Nastran（模态、动刚度）、ABAQUS（强度）、Femfat/Ncode（疲劳）、LSDYNA（碰撞）

前后处理：ANSA、META（HyperView/HyperGraph）、Python

优化软件：LSOPT（Isight、modefrontier、optimus、heeds）

一、副车架全参数化模型创建

    全参的模型包括形状参数、厚度参数、材料参数等等。形状参数一般是morph功能进行创建，可以使用sfe-concept、hypermorph或者depmeshworks等软件，但根据个人使用经验，使用ansa-morph进行形状参数的创建并与优化软件的联合在效果上要比其他软件好很多。具体如何使用ansa进行参数化模型的创建以及与优化软件的联合后续会详细进行介绍。

    参数化模型的创建除了需要创建形状参数、厚度参数、材料参数等。在多学科优化时还需要注意每个学科计算模型的协同匹配。强度、模态、动刚度、疲劳等等分析计算的模型需要协同更新。

注：本文提到的设计响应的提取都是基于手动操作的方式进行，当然在实际项目过程中多数都是通过手动操作和二次开发脚本结合来完成的。同样为了不受限于某个软件，本文会介绍通过常用的后处理软件meta和hyperview/hypergraph进行结果的提取。同样，大多数的结果也可以通过使用其他的方式进行结果响应的提取，有感兴趣的可以了解下lasso-python、pyNastran 、pyansys这些内容。

1.强度分析

    强度分析包括一般的典型工况，如加速、制动、转弯、下掉、过坑过坎等等。通常对于底盘件而言往往某几个工况就可以包络其他的全部工况，针对与不同的部件受力状态，在进行多学科优化时进行强度性能约束时，没有必要把所有工况都作为性能约束。这需要工程师的经验以及对部件受力状态的分析。

    通常情况下，对于底盘件的载荷加载都是通过刚性单元进行加载，这会在从节点位置产生一定的应力失真。所以一般在后处理时不考虑这一层单元结果的影响。

1.1 Meta提取强度响应

1.首先隐藏刚性单元和与之相连的单元。

2.添加一个Annotation，在Advanced Filter中选择Visible Max 1.

3.导出ses文件，用于meta调用生成结果文件

4.批处理运行meta生成结果

1.2 Hyperview提取强度响应

1.首先隐藏刚性单元和与之相连的单元。

2.添加一个Note，将应力结果输出到stress_L5.txt文件中

3.操作完后保存session文件，如GetStress_L5.mvw

4.创建一个hwc文件，通过hwc命令读取上一步生成的session文件。

5.设置批处理命令运行hwc文件用于提取结果

2.模态分析

    副车架一般只需要考虑一阶模态，因此不需要进行模态追踪，如果设置提取了刚体模型，则第一阶模态为模态7。因此不需要进行模态追踪，如果需要进行模态追踪，可以参考以前的文章。

2.1 Meta提取模态结果

1.读取模态分析结果

2.通过内置函数提取第7阶模态频率值，找到对应阶次的结果，点击Ok则会自动复制该函数

3.通过函数创建设计响应

4.导出ses文件，用于meta调用生成结果文件

5.批处理运行meta生成结果

2.2 Hyperview提取模态响应

1.读入结果，添加一个note，将模态频率结果输出到freq7.txt文件中。

2.操作完后保存session文件，如getfreq.mvw

3.创建一个hwc文件，通过hwc命令读取上一步生成的session文件。

4.设置批处理命令运行hwc文件用于提取结果

3.动刚度分析

     动刚度的计算方法有很多种，本例中使用其中的一种，即通过公式：IPI=Area_Target/A_Curve*TargetValue换算得到。其他方法可以参考相同的处理方式。

3.1 Meta提取动刚度结果

1.读取动刚度分析结果

2.添加目标值曲线，并通过获取目标值曲线面积和分析结果曲线面积来计算动刚度值

3.通过曲线函数Area得到曲线的面积值，后续通过这些面积值计算动刚度。

4.通过内置函数提取3中曲线的面积

5.通过函数创建设计响应

6.导出ses文件，用于meta调用生成结果文件

7.批处理运行meta生成结果

注：正如上文所述，一些结果的提取需要结合二次开发来完成，如对于动刚度结果的提取，往往有3N个结果，如果通过手动操作来提取结果会花费一些时间，且容易出错。如果通过二次开发来完成，就是秒级操作。

3.2 Hypergraph提取动刚度响应

1.读入结果，添加一个目标值曲线

2.添加一个note，将动刚度结果输出到IPI_results.txt文件中

3.操作完后保存session文件，创建一个hwc文件，通过hwc命令读取上一步生成的session文件。

4.设置批处理命令运行hwc文件用于提取结果。

4.疲劳分析

    在做轻量化优化时，第一步是考察当前的性能结果，并更加当前性能结果选择对应的优化策略。包括选择多学科优化时考虑的工况，变量的选择，性能的约束值等等内容。本例中，初始疲劳分析结果很小，因此在多学科优化时没有考虑疲劳工况，疲劳工况作为验证性能而不作为多学科优化分析性能。

如果需要同时考虑疲劳性能，操作的方法和上面强度、模态等方法类似。

    以上简单介绍了副车架多学科优化时设计响应的提取方法，用于联合优化软件进行多学科优化及轻量化优化设计。

     在做轻量化优化时，往往是以性能为约束，过程中需要和其他性能分析工程师协同评判轻量化方案和对性能影响的评判。但往往性能分析工程师以性能达成为目标，而且出于保守考虑往往会留有很高的性能余量。但这是合理的吗？以动刚度性能为例：隔振需要刚度差，一旦定下了安装点的刚度目标值，则认为满足该目标值即可，而不是越大越好。不然也失去了目标值的意义。

举个不太恰当的例子，这就好比是天冷了需要穿衣服保暖（隔开源(冷空气)与接受体(人体)），穿了保暖内衣还加了外套（一定厚度的钣金）又带了围脖（还有加强件），这时候人体已经很暖和了（满足了性能目标值），就不在需要再穿一个羽绒服了（增加部件，加厚设计，加大尺寸），因为这已经属于过设计了。身体是会更加暖和（性能余量很高），但没有必要。反而是不合理的设计，多买了一件羽绒服（增加了成本），身体还变重了（质量增加）。平时吃一个馒头（加10L油）就可以从家走到公司，现在需要多吃两个馒头才行（再加10L油），同样的路需要更多的馒头（油耗增加，经济性变差）。遇到上坡，穿那么多走路都费劲（爬坡度变低，动力性变差）。走没多大一会儿就需要大口喘气，吐出更多的二氧化碳（燃烧排放增大）。本来保暖内衣就已经足够了，为什么还需要在增加一件羽绒服呢？

    以上简单介绍了全参数化副车架多学科优化分析及轻量化优化设计，实际工程中还可以结合拓扑优化进行多级优化。一般底盘件通过数值优化可以减重10-15%左右。底盘件尤其适用形状参数优化，如转向节、控制臂等等这些可以参照以上思路开展轻量化优化工作。

    副车架多学科优化分析可以使用LSOPT、Isight、modefrontier、Optimus、Heeds等。后续逐个讲解这些软件进行副车架多学科优化的具体设置和注意事项。