车身结构优化设计
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第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
一阶优化（First-Order）： 使用因变量对设计变量的偏导数，在每次迭代中，计算梯度确 定 搜索方向，并用线搜索法对无约束问题进行最小化。因此， 每次 迭代都由一系列子迭代组成。采用该方法需要指定最大迭 代次数 （NITR）、线搜索步长范围（SIZE）以及设计变量变化程度的 正偏差（DELTA）。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
（2）ANSYS优化过程
ANSYS程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程，即 对初始设计进行分析，针对设计要求对分析结果进行评估，然后修正设计。 这一循环过程重复进行直到所有设计要求都满足要求为止。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
2. ANSYS中的优化方法原理
ANSYS程序优化工具包括： ➢ 单步运行法（Single Run） ➢ 随机搜索法（Random Design） ➢ 乘子法（Fractorial） ➢ 最优梯度法（Gradient） ➢ 扫描法（DV Sweeps） ➢ 子问题法（Sub-Problem） ➢ 一阶优化（First-Order） ➢ 用户优化算法（User Optimizer）
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
3. 有限元方法在车身结构优化分析中的应用
有限元分析结果仅给出指定的设计是否满足设计目标，而在实际 汽车设计中，零部件、车身、车架等总成的设计往往存在多个可 供 选择的方案，优化设计分析是在满足约束的前提下产生最佳设 计的 可能性。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
车身结构优化分析应考虑的主要方面：
1设计变量：可以是构件长度、截面尺寸、形状等几何量，也可以是重量、 惯性矩、力或力矩等物理量，还可以是应力、变形、固有频率等代表工作性 能的导出量。 2约束条件：一个可行性设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条件 称作约束条件。约束又可按其数学表达形式分成等式约束和不等式约束两种 类型。 3目标函数：是设计变量的函数，即要尽量减小的数值。用它可以评价设 计方案的好坏。目标函数可以是结构重量、体积、功耗、成本或其它性能指 标和经济指标等。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
第7章 车身结构有限元分析 及优化设计
《汽车车身结构与设计》
汽车车身结构与设计多媒体教学系统
7.2 车身结构优化设计
以提高整车刚度、降低车身骨架自重为主要目标，进行优化分析，是 汽车概念设计阶段的重要内容。
1. 采用ANSYS软件实现优化的基本过程
ANSYS的优化技术是建立在有限元分析基础上，优化设计之前，首 先 要完成该参数化模型的有限元分析，包括前处理、求解和后处理。并 将该 分析过程作为一个分析文件保存，以便于优化设计过程的再次利用。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
车身优化设计流程图：
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
4. 基于ANSYS的车身有限元分析及优化设计实例
第7设计
ANSYS程序优化工具：子问题法（Sub-Problem）的界面
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
➢ 列出设计参数集合 ➢ 查看要求的设计参数值或范围。 ➢ 可以选择只列出优化参数或列出全部参数。 ➢ 用 OPLIST 命令，或 Design Opt > -Design Sets- List…
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
3 ANSYS优化结果分析 ➢ ANSYS优化结果数据库文件Jobname.opt中记录有当前的优化环境，包 括 优化变量定义参数、所有优化设置和设计序列集合。 ➢ 在优化结果序列中，完全满足状态变量规定约束条件的结果序列为可行的 优化序列，可行的优化结果序列中包含一个最优设计序列。在优化结果序 列中并不一定所有的结果序列完全满足状态变量规定的约束条件，这些不 满足优化约束条件的优化序列称为不可行的优化结果序列。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
ANSYS程序常用优化工具：
单步运行法（Single Run）： 每执行一次循环，实现一次优化循环，并求出一个FEA解。通过 一系列的单次循环，每次求解前设定不同的设计变量，研究目标 函数与设计变量的变化关系。该方法往往为其它优化方法或工具 提供一个初始优化序列，如扫描方法或子问题方法等。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
（1）ANSYS优化方法
1）零阶方法：为直接法，通过调整设计变量的值，采用曲线拟合的 方法去逼近状态变量和目标函数，可以很有效地处理大多数的工程问题。
2）一阶方法：为间接法，是基于目标函数对设计变量的敏感程度的 方法。在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向。由于该方法在每次迭 代 中要产生一系列的子迭代，所占用的时间较多，但计算精度较高， 适合 于精确的优化分析。
7.2 车身结构优化设计
ANSYS软件实现优化方式： 批处理方式——APDL语言 GUI交互方式——一般用户
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
以GUI优化方式为例，进入优化设计器OPT，执行优化分析过程：
首先指定分析文件；声明优化变量，包括设计变量、状态变量 和目标函数；选择优化工具或优化方法；进行优化分析；查看 优化设计序列结果；最后检验设计优化序列。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
随机搜索法（Random Design）： 需要进行多次循环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定最 大循环次数和期望合理解的数目。本工具主要用来研究整个设计空 间，并为以后的优化分析提供初始解。该方法也可以用来完成一些 小的优化设计任务，例如可以做一系列的随机搜索，然后通过查看 结果来判断当前设计空间是否合理。
7.2 车身结构优化设计
一阶优化（First-Order）： 使用因变量对设计变量的偏导数，在每次迭代中，计算梯度确 定 搜索方向，并用线搜索法对无约束问题进行最小化。因此， 每次 迭代都由一系列子迭代组成。采用该方法需要指定最大迭 代次数 （NITR）、线搜索步长范围（SIZE）以及设计变量变化程度的 正偏差（DELTA）。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
（2）ANSYS优化过程
ANSYS程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程，即 对初始设计进行分析，针对设计要求对分析结果进行评估，然后修正设计。 这一循环过程重复进行直到所有设计要求都满足要求为止。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
2. ANSYS中的优化方法原理
ANSYS程序优化工具包括： ➢ 单步运行法（Single Run） ➢ 随机搜索法（Random Design） ➢ 乘子法（Fractorial） ➢ 最优梯度法（Gradient） ➢ 扫描法（DV Sweeps） ➢ 子问题法（Sub-Problem） ➢ 一阶优化（First-Order） ➢ 用户优化算法（User Optimizer）
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
3. 有限元方法在车身结构优化分析中的应用
有限元分析结果仅给出指定的设计是否满足设计目标，而在实际 汽车设计中，零部件、车身、车架等总成的设计往往存在多个可 供 选择的方案，优化设计分析是在满足约束的前提下产生最佳设 计的 可能性。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
车身结构优化分析应考虑的主要方面：
1设计变量：可以是构件长度、截面尺寸、形状等几何量，也可以是重量、 惯性矩、力或力矩等物理量，还可以是应力、变形、固有频率等代表工作性 能的导出量。 2约束条件：一个可行性设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条件 称作约束条件。约束又可按其数学表达形式分成等式约束和不等式约束两种 类型。 3目标函数：是设计变量的函数，即要尽量减小的数值。用它可以评价设 计方案的好坏。目标函数可以是结构重量、体积、功耗、成本或其它性能指 标和经济指标等。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
第7章 车身结构有限元分析 及优化设计
《汽车车身结构与设计》
汽车车身结构与设计多媒体教学系统
7.2 车身结构优化设计
以提高整车刚度、降低车身骨架自重为主要目标，进行优化分析，是 汽车概念设计阶段的重要内容。
1. 采用ANSYS软件实现优化的基本过程
ANSYS的优化技术是建立在有限元分析基础上，优化设计之前，首 先 要完成该参数化模型的有限元分析，包括前处理、求解和后处理。并 将该 分析过程作为一个分析文件保存，以便于优化设计过程的再次利用。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
车身优化设计流程图：
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
4. 基于ANSYS的车身有限元分析及优化设计实例
第7设计
ANSYS程序优化工具：子问题法（Sub-Problem）的界面
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
➢ 列出设计参数集合 ➢ 查看要求的设计参数值或范围。 ➢ 可以选择只列出优化参数或列出全部参数。 ➢ 用 OPLIST 命令，或 Design Opt > -Design Sets- List…
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
3 ANSYS优化结果分析 ➢ ANSYS优化结果数据库文件Jobname.opt中记录有当前的优化环境，包 括 优化变量定义参数、所有优化设置和设计序列集合。 ➢ 在优化结果序列中，完全满足状态变量规定约束条件的结果序列为可行的 优化序列，可行的优化结果序列中包含一个最优设计序列。在优化结果序 列中并不一定所有的结果序列完全满足状态变量规定的约束条件，这些不 满足优化约束条件的优化序列称为不可行的优化结果序列。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
ANSYS程序常用优化工具：
单步运行法（Single Run）： 每执行一次循环，实现一次优化循环，并求出一个FEA解。通过 一系列的单次循环，每次求解前设定不同的设计变量，研究目标 函数与设计变量的变化关系。该方法往往为其它优化方法或工具 提供一个初始优化序列，如扫描方法或子问题方法等。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
（1）ANSYS优化方法
1）零阶方法：为直接法，通过调整设计变量的值，采用曲线拟合的 方法去逼近状态变量和目标函数，可以很有效地处理大多数的工程问题。
2）一阶方法：为间接法，是基于目标函数对设计变量的敏感程度的 方法。在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向。由于该方法在每次迭 代 中要产生一系列的子迭代，所占用的时间较多，但计算精度较高， 适合 于精确的优化分析。
7.2 车身结构优化设计
ANSYS软件实现优化方式： 批处理方式——APDL语言 GUI交互方式——一般用户
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
以GUI优化方式为例，进入优化设计器OPT，执行优化分析过程：
首先指定分析文件；声明优化变量，包括设计变量、状态变量 和目标函数；选择优化工具或优化方法；进行优化分析；查看 优化设计序列结果；最后检验设计优化序列。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.2 车身结构优化设计
随机搜索法（Random Design）： 需要进行多次循环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定最 大循环次数和期望合理解的数目。本工具主要用来研究整个设计空 间，并为以后的优化分析提供初始解。该方法也可以用来完成一些 小的优化设计任务，例如可以做一系列的随机搜索，然后通过查看 结果来判断当前设计空间是否合理。