利用Isight进行头碰优化的设计实践

01 综述

Isight是多学科优化软件,可以集成不同学科的工程软件,实现流程自动化。头碰分析通常有加速度和变形量的要求,如图1所示,10kg的刚体冲击块以1m/s的速度碰撞产品,要求冲击头位移小于16mm,通过优化设计使得加速度最小。优化变量范围如表1。

运用Isight进行头碰优化设计的图1



运用Isight进行头碰优化设计的图2

图1 优化变量

运用Isight进行头碰优化设计的图3

表1 优化变量范围



02 Isight流程搭建

Isight流程如图2,Catia和Abaqus均采用Simcode组件集成,需要录制宏文件。有限元后处理采用python 脚本提取冲击块的加速度和位移,并用sae100Filter函数对加速度曲线进行滤波。利用Calculator中的max和min函数对post中提取的速度和位移向量取最值。输入参数有8个,先采用正交设计,识别敏感度较高的因子。

运用Isight进行头碰优化设计的图4

图2 Isight流程

数据流如下如图3,Doe中的几何参数传给Catia,厚度参数传给Abaqus;Catia中生成的*.step文件传给Abaqus,Abaqus计算的结果odb文件传给post做数据处理;经滤波后的加速度A3和位移U3传给Calculator求最值;最后将u3Max、a3Max传给Doe。

运用Isight进行头碰优化设计的图5


图3 数据流Dataflow


碰撞动画、加速度曲线、位移曲线如下图。

运用Isight进行头碰优化设计的图6


a)碰撞动画

运用Isight进行头碰优化设计的图7


b)加速度

运用Isight进行头碰优化设计的图8

(c)位移

图4  Abaqus仿真结果




03 正交数组设计分析
正交数组采用正交表安排多因子试验。本试验采用8因子2水平,识别敏感度较高的因子,以便进行后续的优化计算。设计矩阵如图5,共12组试验

运用Isight进行头碰优化设计的图9


图5 正交设计矩阵



Pareto图反应样本拟合后模型中所有项对每个响应的贡献程度的百分比,蓝色表示正效应,红色表示负效应。图6为位移响应(u3Max)和加速度响应(a3Max)的Pareto图,length_internal、Th_internal_flange、Th_internal_skin、length_external这4个因子的贡献程度较大,因此选择这4个因子来做近似模型。

运用Isight进行头碰优化设计的图10


a)u3Max ParetoPlot

运用Isight进行头碰优化设计的图11


a)a3Max Pareto Plot


图6 Pareto图




04 近似模型建立


优化拉丁方设计使所有的试验点尽量均匀地分布在设计空间,具有很好的填充性和均衡性。采用优化拉丁方设计,因子为小节3中的4个因子,设计32组试验。用RBF神经网络模型来拟合设计空间,加速度(a3Max)和位移(u3Max)的误差R-Squared分别为0.905和0.967,拟合精度较好,说明该近似模型可以反应因子和响应的关系。因子length_internal和Th_internal_skin对加速度和位移的影响如图7,随着碰撞区域厚度(Th_internal_skin)增加,加速度增大,位移减小;随着碰撞区域长度(length_internal)增加,加速度减小,位移增大。

运用Isight进行头碰优化设计的图12运用Isight进行头碰优化设计的图13

图7 因子length_internal 和Th_internal_skin对加速度和位移的影响



05 利用近似模型进行优化

在小节4的近似模型基础上采用NLPQL优化算法进行优化,流程如图8。优化目标为加速度最小,约束为位移小于15.5mm。由于近似模型存在误差,约束选择小于15.5mm而不是16mm。如图9所示,经过62次优化获得收敛,加速度为114.6运用Isight进行头碰优化设计的图14,位移为15.5mm。

运用Isight进行头碰优化设计的图15

图8 优化流程图

运用Isight进行头碰优化设计的图16

图9 优化过程

     

上述优化是基于近似模型的,需要建立有限元模型进行验证,两者对比数据如表2,误差均小于5%,进一步说明近似模型的可靠性。

运用Isight进行头碰优化设计的图17

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