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汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料防撞梁鋪層角度優(yōu)化

2019-08-29 14:59:09·  來(lái)源：技術(shù)鄰CAE學(xué)院  作者：張?chǎng)?nbsp; 
　
本文為L(zhǎng)S-DYNA創(chuàng)新仿真大賽投稿作品，作者為技術(shù)鄰用戶：張?chǎng)纹?chē)用碳纖維復(fù)合材料防撞梁鋪層角度優(yōu)化1.前言碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能較好，比強(qiáng)度約是普通鋼的5
本文為L(zhǎng)S-DYNA創(chuàng)新仿真大賽投稿作品，作者為技術(shù)鄰用戶：張?chǎng)?/div>

汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料防撞梁鋪層角度優(yōu)化

1. 前言

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能較好，比強(qiáng)度約是普通鋼的5～7倍、比模量約是普通鋼的3～4倍、具有抗沖擊性好、耐腐蝕性強(qiáng)、密度低等優(yōu)點(diǎn)?；阡亴犹祭w維復(fù)合材料就是將各向異性的碳纖維層材料按照一定的順序和角度疊在一起，然后通過(guò)其它工藝使各鋪層緊密的貼合在一起成為一個(gè)整體。本文選用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料，介紹了一種基于HyperStudy優(yōu)化平臺(tái)和LS-DYNA求解器相結(jié)合的鋪層優(yōu)化方法。

2. 模型簡(jiǎn)介

碳纖維復(fù)合材料選用碳纖維/環(huán)氧（T300/5208），參數(shù)見(jiàn)表1。

表1碳纖維/環(huán)氧材料參數(shù)
碳纖維環(huán)氧材料參數(shù)
 
本文使用的防撞梁碰撞簡(jiǎn)化模型如圖1所示，該模型長(zhǎng)1200mm,寬50mm,高100mm，兩個(gè)支架尺寸為長(zhǎng)100mm,寬60mm,高80mm。在支架的尾端設(shè)置約束。根據(jù)國(guó)標(biāo)設(shè)置擺錘的質(zhì)量為1.4t，初速度為4m/s。
 
圖1 防撞梁碰撞模型

簡(jiǎn)化模型總共8個(gè)鋪層，每層厚度均為0.3mm,鋪層角度按0°、45°、90°-45°依次排列，對(duì)稱鋪層。各鋪層具體信息如圖2所示。
 
圖2 鋪層信息

本模型為汽車(chē)保險(xiǎn)杠的一部分，本次優(yōu)化要求防撞梁的吸能量達(dá)到最大，不改變材料和鋪層厚度，只改變鋪層的角度且角度只能為0°、45°、90°和-45°這四種角度。

將模型代入LS-DYNA中進(jìn)行計(jì)算，提出三個(gè)響應(yīng)量，其中最大吸能量的值為113.62J，最大碰撞力為20338N，最大位移為12.775mm

3．優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1在HyperStudy中建立輸入模板

將建模完成后輸出的K文件導(dǎo)入到HyperStudy中，將K文件里模型的那個(gè)角度定義為設(shè)計(jì)變量，分別命名為or1～or8,代表八個(gè)角度變量。如圖3和圖4所示。
 
圖3 導(dǎo)入K文件
 
圖4 定義設(shè)計(jì)變量
 
3.2建立研究模型

首先需要將LS-DYNA求解器注冊(cè)為HypweStudy可識(shí)別的求解器，具體教程《OptiStruct&HypweStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》中已有詳細(xì)的講解，然后在研究模型創(chuàng)建時(shí)選擇DYNA求解器。然后在求解輸入文件中將求解文件cae2.k名字輸入，將求解器的控制參數(shù)填寫(xiě)為i=﹩file，如圖5所示。
 
圖5 設(shè)置文件參數(shù)
 
由于本次優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量取值是離散的，所以需要在軟件中把變量的取值由連續(xù)的改為離散的，如圖7所示。然后再將本次優(yōu)化的值添加到Values窗口里，每個(gè)變量的取值均為0°、45°、90°和-45°這四種角度。
 
3.3進(jìn)行基本求解和定義響應(yīng)

上一步完成后進(jìn)行下一步的基本求解，點(diǎn)擊evaluate Task按鈕，求解完成后會(huì)在Write，Execute，Extract按鈕下顯示成功，表示基本求解已經(jīng)完成。求解完成后定義三個(gè)響應(yīng)量，分別為最大吸能量Energy，最大碰撞力Force和最大位移Displacement，提取出對(duì)應(yīng)的值。圖6中最大吸能量的值為113620mJ，最大碰撞力為20338N，最大位移為12.775mm。至此，優(yōu)化前的研究模型已經(jīng)設(shè)置完畢，下一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。
 
圖6 定義響應(yīng)量
 
3.4創(chuàng)建優(yōu)化選項(xiàng)

添加一個(gè)優(yōu)化選項(xiàng)，默認(rèn)命名。然后定義優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束，本優(yōu)化的目標(biāo)是讓最大吸能量達(dá)到最大，最大位移和最大碰撞力均要小于初始值，所以設(shè)置約束：Energy:Maximize，F(xiàn)orce<=20341，Displacement<=12.775。約束條件在HyperStudy中的設(shè)置如圖7所示。
 
圖7 約束條件

3.5優(yōu)化算法

HyperStudy包含非常豐富的優(yōu)化算法，本案例為離散的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，可以選擇的優(yōu)化算法有自適應(yīng)響應(yīng)面法（ARSM）、全局自適應(yīng)響應(yīng)面法（GRSM）和遺傳算法（GA）。自適應(yīng)響應(yīng)面法迭代次數(shù)較少、優(yōu)化效率高,但對(duì)于變量較多的優(yōu)化問(wèn)題找到的解往往不是最優(yōu)解，而遺傳算法迭代次數(shù)過(guò)多，效率非常低，所以本優(yōu)化問(wèn)題選擇全局自適應(yīng)響應(yīng)面法為優(yōu)化算法。
 
全局自適應(yīng)響應(yīng)面法在每一次迭代后，基于響應(yīng)面的優(yōu)化算法會(huì)產(chǎn)生新的計(jì)算樣本點(diǎn)，增加的樣本點(diǎn)會(huì)在局部搜索和全局搜索之間尋求一個(gè)較好的平衡。全局自適應(yīng)響應(yīng)面法在開(kāi)始時(shí)利用少數(shù)的樣本點(diǎn)建立一個(gè)響應(yīng)面并根據(jù)新的樣本點(diǎn)適應(yīng)性地更新響應(yīng)面以更好地?cái)M合實(shí)際模型。全局自適應(yīng)響應(yīng)面法可以優(yōu)化單目標(biāo)和多目標(biāo)的問(wèn)題，具有全局搜索能力，支持離散變量，適用于具有很多設(shè)計(jì)變量的單目標(biāo)優(yōu)化。本優(yōu)化問(wèn)題為較多設(shè)計(jì)變量的單目標(biāo)優(yōu)化，采用全局自適應(yīng)響應(yīng)面法較為合適。全局自適應(yīng)響應(yīng)面法的優(yōu)化流程如圖所8所示。
 
圖8 優(yōu)化流程
 
4．結(jié)果分析

由于設(shè)計(jì)變量較多，本次優(yōu)化設(shè)置計(jì)算次數(shù)為100次，軟件迭代次數(shù)為50次。優(yōu)化目標(biāo)與約束目標(biāo)在迭代20次以后收斂，優(yōu)化目標(biāo)和約束目標(biāo)的迭代圖如圖9～11所示。
 
圖9 最大吸能量?jī)?yōu)化迭代圖
 
圖10 最大碰撞力優(yōu)化迭代圖

最大位移優(yōu)化迭代圖
圖11 最大位移優(yōu)化迭代圖
 
根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，當(dāng)碳纖維防撞梁的鋪層角度為[0/90/90/90/0/90/90/90]時(shí)，其最大吸能量達(dá)到最大，如圖12所示，最大值為119.93J，最大碰撞力為14590N，最大位移為12.11mm,優(yōu)化的結(jié)果符合約束的要求，初始值與優(yōu)化值的對(duì)比如表2所示。
 
圖12 優(yōu)化結(jié)果圖

表2 初始值與優(yōu)化值對(duì)比
初始值與優(yōu)化值對(duì)比
 
根據(jù)表2可知，對(duì)碳纖維復(fù)合材料鋪層進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后最大吸能量增加了5.6%，最大碰撞力降低了28.3%，最大位移降低了5.2%，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的要求。

5．結(jié)論

基于HyperStudy優(yōu)化平臺(tái)與LS-DYNA求解器相結(jié)合的碳纖維復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了鋪層順序優(yōu)化。本案例證明了這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)基于鋪層的碳纖維復(fù)合材料優(yōu)化是有效的，為基于鋪層碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)化提供了一種新的方法。
 
 
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