組合近似模型方法研究及其在轎車車身輕量化設(shè)計的應(yīng)用.pdf

1、隨著有限元技術(shù)的迅速發(fā)展，基于仿真的工程設(shè)計與優(yōu)化已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到復(fù)雜工程產(chǎn)品設(shè)計中。以汽車工業(yè)為例，減輕汽車重量以實現(xiàn)節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的核心問題，新能源汽車與傳統(tǒng)汽車都迫切需要輕量化。轎車車身輕量化設(shè)計必須滿足碰撞安全、剛度和模態(tài)以及NVH(振動、噪聲、舒適性)等要求，是多學(xué)科、多參數(shù)、多約束的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題。實際輕量化設(shè)計中，針對碰撞安全、振動噪聲等結(jié)構(gòu)強非線性能響應(yīng)，直接通過有限元分析開展優(yōu)化很難滿足現(xiàn)代車身設(shè)計與開發(fā)的要

2、求，利用近似模型擬合或預(yù)測結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)以代替有限元仿真是國內(nèi)外研究的前沿與熱點，可以減少優(yōu)化過程的計算量，提高優(yōu)化效率。盡管基于近似模型的優(yōu)化方法被認為是解決復(fù)雜工程設(shè)計問題的最有效途徑之一，但工程實踐中仍存在很多不足，易引起輕量化設(shè)計方案失效。本文對近似模型的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，提出了組合近似模型的構(gòu)造方法，為車身結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)的擬合提供精度更高的近似模型建模方法;建立了面向組合近似模型的序貫采樣策略，進一步改善模型全局精度;分析了約束函

3、數(shù)的近似模型修正方法，保證近似解的實際約束可行性:形成了基于組合近似模型的車身輕量化設(shè)計方法，將其應(yīng)用于新能源轎車車身輕量化設(shè)計。主要研究工作及結(jié)論如下:
　　(1)組合近似模型建模方法研究
　　研究單一近似模型（如多項式響應(yīng)面、徑向基函數(shù)、Kriging和支持向量回歸等）的預(yù)測能力，提出了基于交叉驗證誤差均值和方差的權(quán)系數(shù)計算方法，通過加權(quán)疊加構(gòu)建組合近似模型，研究了組合近似模型的適用范圍，并分析單一近似模型個數(shù)對組合近似

4、模型精度的影響。通過大量測試函數(shù)和工程算例表明，該權(quán)系數(shù)計算方法在預(yù)測精度方面具有比已有組合近似模型構(gòu)造方法和單一近似模型更為明顯的優(yōu)勢，且當(dāng)單一近似模型數(shù)量保持在3～5個時，組合近似模型的預(yù)測能力最好，非常適用于小樣本條件下具有高維強非線性特征的車身結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)的近似建模。
　　(2)組合近似模型的序貫采樣策略研究
　　基于上述組合近似模型，從單一近似模型預(yù)測能力的差異性出發(fā)，提出了表征組合近似模型擬合不確定的評價指標(biāo)——

5、加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)偏差，驗證了該指標(biāo)與組合近似模型實際誤差存在較高的相關(guān)性。建立了基于加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)偏差的組合近似模型序貫采樣策略，在擬合不確定較大區(qū)域增加樣本點逐步提高模型全局精度。通過數(shù)值算例和汽車耐撞性問題驗證該策略的可行性，能有效指導(dǎo)組合近似模型的迭代更新，為后續(xù)車身輕量化設(shè)計提供高精度的近似模型。
　　(3)面向約束優(yōu)化的近似模型修正方法研究
　　建立了基于安全裕量的約束函數(shù)組合近似模型修正方法，利用交叉驗證誤差的累計分布函數(shù)計量

6、化給定保守度水平下的安全裕量值，使近似解滿足實際約束可行性。提出了面向自適應(yīng)循環(huán)優(yōu)化的保守度水平序列更新策略，合理降低安全裕量值。通過基于耐撞性的車身前部結(jié)構(gòu)輕量化案例，證明了結(jié)合組合近似模型、安全裕量和保守度水平序列更新策略開展車身輕量化設(shè)計可以在少量循環(huán)內(nèi)快速獲得能夠滿足約束條件要求、具有更小目標(biāo)值的輕量化方案，具有很好的工程應(yīng)用價值。
　　(4)基于組合近似模型的轎車車身輕量化方法研究與工程應(yīng)用
　　綜合組合近似模型及

7、其序貫采樣策略、約束函數(shù)近似模型修正方法，對轎車車身輕量化設(shè)計方法進行研究。提出了基于組合近似模型的車身輕量化設(shè)計總體框架及具體流程。以某新能源轎車車身為對象，開展了考慮多種碰撞形式（正面全寬碰撞、正面偏置碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞）、車身剛度和模態(tài)以及NVH等性能的車身輕量化設(shè)計應(yīng)用研究，驗證了基于組合近似模型的車身輕量化設(shè)計方法的可靠性。
　　本文針對轎車車身設(shè)計的多學(xué)科、多參數(shù)、多約束的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題，對組合近似模型及其序貫