基于Optimus副车架多学科优化及轻量化优化

一 .性能分析

    副车架的性能分析包括强度分析、模态分析、动刚度分析、疲劳分析等。

1.1 强度分析

    强度分析采用惯性释放法，考察工况根据公司内部规范进行，一般包括常规工况和极限工况。首先进行初始性能分析，然后根据受力状态和分析结果进行筛选用于多学科优化分析中的分析工况（当然不进行工况筛选包络，用全部工况用于多学科优化亦可以）。本例中为工况4、5、8、10用于多学科优化分析。

1.2 模态分析

    副车架采用自由模态分析，校核第一阶模态。一般为扭转模态。因此优化过程中亦不需要进行模态追踪。（多学科优化时进行模态追踪的方法可以参考以前的文章）

1.3 动刚度分析

    本例中后副车架共有11个接附点，包括8个控制臂安装点和3个电机悬置安装点。具体多学科优化分析时需要考察哪些安装点的动刚度值，需要根据变量位置进行评估，当然如果不确定是否有影响，可以把所有安装点的动刚度作为多学科优化时考察的性能。

注：如果副车架为柔性连接，则动刚度单体分析即可。如果与车身为刚性连接，则在进行动刚度分析时需要带着车身模型。此时如果进行多学科优化时需要考虑计算机硬件资源的影响。为了节省计算资源，往往优化时可以使用超单元法对车身创建超单元，再进行副车架动刚度分析。这样可以大大节省计算时间和计算资源。关于使用超单元法进行动刚度分析的方法后续专门进行节省。本例中后副车架为柔性连接，只需要进行单体分析即可。

    使用超单元可以让电脑完成小马拉大车，这对于个人电脑在进行多学科优化时的收益是十分明显的。而且超单元的精度一般非常高，误差一般在百分之零点几。

1.4 疲劳性能

    副车架疲劳分析可以进行基于道路谱载荷或台架载荷。疲劳性能可以作为校核性能，不在多学科优化时考虑。（当然亦可以在多学科优化时考虑疲劳性能，具体方法如车轮多学科系列文章所述）。本例中多学科优化时不考虑疲劳分析。疲劳分析作为校核工况在进行分析。

二.多学科优化参数化模型

    副车架可以进行参数设置的对象包括材料牌号，部件厚度和形状。本例中包括7个形状参数和两个料厚参数。形状参数包括副车架前后横梁的上下侧高度、前横梁前后侧宽度和纵梁外侧宽度，厚度参数为型材部分的前后横梁厚度。参数1为前横梁上侧高度、参数2为前横梁下侧高度、参数3为后横梁上侧高度、参数4为后横梁下侧高度、参数5为纵梁外侧宽度、参数6为前横梁前侧宽度、参数7为前横梁后侧宽度、参数8为前横梁厚度参数、参数9为后横梁厚度参数。

    整个参数化创建过程均在ANSA软件环境下进行，当然可以使用其他软件包括depmeshworks等。里面有一些具体的细节在这里就不做详细展开，包括具体形状参数的创建方法，位置，变量范围，多学科模型协同等等细节需要经验的积累，包括结构特性对强度、模态、动刚度、疲劳性能的影响，优化策略，软件操作等等一系列内容的沉淀。其实多学科优化整个过程的操作也是一种套路化的东西，每个人的操作基本都是这些东西，这个过程早晚会被机器所代替。包括本人写过很多二次开发的内容用于前后处理、流程搭建等等。而人的价值应该体现在创造性，这也是每个人面对同样的工作内容，但产生的工作效果参差不齐的原因。

三.基于Optimus副车架多学科优化

强度分析使用ABAQUS求解器，模态分析和动刚度分析使用Optistruct求解器。其中ANSA使用Optimus的接口。由于本例中是使用meta进行结果响应的读取，因此ABAQUS和Optistruct的结果不需要直接识别，所以ABAQUS不需要使用Optimus自带的部件，而Optimus本身不带Optistruct部件。ABAQUS计算通过action模块完成。正如以往介绍中所述，meta模块无法正常使用（运行时报错），因此我们使用action模块调用meta命令运行meta，而对meta的结果文件可以使用mete结果文件接口，可以自动识别所有设计响应。

首先，根据图示将所需的模块拖放到图形界面中，并按顺序连接每个模块。

注：设计变量和设计响应都是通过自带的ansa和meta输入输出文件接口生成的，因此不需要手动添加输入输出文件。当读入对应的文件时可以自动生成。

1.双击ANSA输入文件模块，选择ansa设计变量文件，即MDO_DV.txt。则自动识别出所有变量，选中所有变量点击Add即可添加设计变量。则设计变量自动生成在组文件，双击可以编辑设计变量，可以看到变量名，变量类型都是根据MDO_DV.txt文件中的声明自动生成的。

2.1双击file模块，读入ansa文件，这里导入的是ansa格式的文件，因此会显示的是乱码，但不影响正确运行。

2.2双击file模块，读入ansa生成的求解文件，即强度分析求解文件。

2.3双击ansa模块，鼠标左键激活对应的位置，然后双击Inputs/Outputs中的文件名即可设置对应的选项。

注：Optimus接口的设置是在安装时就需要选择的，其中包括ansa/meta的文件路径。如果后续ansa安装文件做了修改或者需要更换ansa版本等等，需要手动修改配置文件。配置文件的位置在安装目录下。具体修改方法可以参考以前的文章介绍。其他模块也是类似。（LSOPT在设置流程时选择；Isight在配置选项中设置；heeds在安装时也需要选择接口文件位置，但也可以在配置选项中设置，modefrontier可以在模块中设置。以上每种软件如何设置可以详见以前的文章都有详细介绍。）

3.1双击file模块，读入ABAQUS求解文件，这里面的ABAQUS求解文件是头文件，只包括载荷、工况等信息，不包含节点/单元等信息，节点单元等信息在ansa生成的文件中。这样处理的目的是因为本例中强度工况需要同时考虑多个，因此每个工况都有单独的头文件，而节点单元文件共用一个。

3.2双击action模块，设置ABAQUS求解命令：abaqus job=$case4.inp$ cpus=2 int

注：这里注意到没有Outputs文件，是因为生成的odb文件我们不做解析，因此不需要接口来识别这个文件。而和其他优化软件不一样的地方在于，Optimus所有的运行过程都在同一个文件夹下，因此后续的meta模块也是在相同的文件夹中运行，因此不需要额外的声明odb文件的存在，也不影响后续模块的正确运行。这一点是和Optimus文件/文件夹管理相关的。也是和其他优化软件区别的一点。

4.1双击file模块，读入meta的session文件

4.2双击meta输出文件接口，读入mete结果文件，则会自动识别结果文件中的设计响应。选择设计响应后添加即可自动生成设计响应输出文件。

4.3双击action模块，设置meta命令：call meta_post64.bat -noses -nolog -b -s $GetStress_L4.ses$ "./" $GetStress_L4.ses.results$

参照以上的设置方法，对其他强度工况流程进行响应的设置，包括工况5、工况8和工况10。

以上便完成了强度分析的计算流程设置。

5设置模态分析优化流程，将所需的模块放置到图形界面中，并连接好对应的流程。

注：本例中不同的ANSA模块都是通过相同的设计变量文件进行驱动生成对应的求解文件，因此，只需要一个ansa输入文件模块接口，后续不同的ansa模块直接与同一个ansa输入文件模块相连即可。当然，还可以使用不同的ansa输入文件模块，而是将相同的变量文件与其相连，此时需要注意ansa输入文件模块读入的是相同的MDO_DV.txt文件，需要修改优化过程中的文件名称而不出现重名错误。这个具体的设置可以参考车轮多学科优化流程中的设置。本例中的设置要方便一些，但当使用的是不同的ansa变量文件驱动的情况，则必须使用第二种方法。

6同样，参照5设置动刚度优化分析流程

以上便完成了整个优化流程的设置。后续可以在这基础上进行DOE分析，优化分析，稳健性分析等等或者进行优化策略的组合。

注：1.Optimus相比较其他优化软件，在文件/文件夹管理上设计的思路有些瑕疵，因此需要注意这个特点在搭建优化流程时不需要的模块可以进行简化，包括本例中的一些输入文件模块都是可以没有必要进行设置的，当然对应action模块中的命令就需要做对应的修改，直接指定所需的文件名，而不是通过当前这种引用的方式进行设置。

2.以上所有分流程可以进行顺序进行也可以进行并行进行，这需要在Graph选项中进行设置

3.优化软件的设置比较简单，通过一两个例子便可以了解所有的常用的功能，这也不是优化的核心。优化的核心是对问题本身的了解，包括对分析工况性能影响因素的了解，优化方向的了解，变量的选择，工况的包络选择等等才是优化技能的核心，这并不只是会进行软件操作那么简单的事情。

四.优化结果

    在满足所有性能约束的基础上，将优化结果带入疲劳分析模型进行更新，然后验证疲劳性能结果。以及其他未在多学科优化分析时考虑的所有工况。通常，副车架一般可以减重10%左右（和初始设计状态，性能余量等相关）。

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后续介绍基于LS-OPT、modefrontier、Heeds进行副车架多学科优化及轻量化优化的详细设置以及注意事项！