车身在噪声，震动，声振粗糙度（NVH）及碰撞的约束下的优化外文翻译资料
2022-10-30 10:46:15
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车身在噪声，震动，声振粗糙度（NVH）及碰撞的约束下的优化
摘要：在噪声，振动，声振粗糙度（NVH）和碰撞的约束下，使用254个并行操作的处理器，对车体结构进行优化，以获得最小的质量。单独的碰撞分析，即在单个处理器上执行并重复此优化所需的次数，会花费257天的计算时间。并行处理可以将耗费的时间压缩到一天，这表明多处理器机器可能有助于解决迄今为止被认为是棘手的工程任务。优化程序会将最初不可行的结构转换为具有减轻重量并且满足所有约束条件的结构。在已被报告的应用程序中获得的经验表明，将解决方案定制到多处理器计算机架构的特性以及了解该体系结构的数据处理选项有着重要意义。从中可得出的另一个结论是，现有代码在一系列处理器上复制的并行性应该被视为在多个处理器机器之间可立即使用的有效方法，这尤为适用于在临时方案未被提出时的立即使用。
关键词：多学科优化设计（MDO），高性能计算（HPC），耐撞性，近似值
- 介绍
在结构力学中偶尔会出现很高的计算密集性的问题，因此它号称极难处理。 在有关乘客坠毁保护条例的限制下，最小重量的汽车结构优化就属于这一类。 对于碰撞事件的动力学和非线性的车身结构的分析通常要求在一个特定设计进行多次的测量（如果在单个处理器上执行）。 因此，一般是几乎不会尝试进行上述分析所必须重复多次的优化过程。
随着电脑的可用性越来越多，研究者们开始实现以前被认为不可能的事情：像是由Chargin和Miura（1999），Stander（1999），Schramm et al（1999），Yang et al（1994），这篇论文研究了之前所说的棘手的问题之一：在噪声，振动，声振粗糙度（NVH）和碰撞的约束下实现最小质量的车身结构。
车身结构是由390000弹性自由度的有限元模型（见第3节）表示。 其NVH分析由MSC / NASTRAN代码（MSC / NASTRAN指南1998）执行，并通过RADIOSS碰撞代码（RADIOSS用户手册1998）进行了碰撞分析（单个场景）。 在优化过程中，以两种方式执行了RADIOSS代码的并行计算。 该代码在SGI Origin 2000计算机上使用12个处理器进行内部并行化。 该计算机包含256个处理器，因此，可以进行21个代码同时执行，每个代码在RADIOSS内部需要使用12个处理器，以上述方式组织的分析（通常称为粗粒度并行化）构建设计变量空间中碰撞行为的响应曲面。
该代码中可用的MSC-NASTRAN动态分析和灵敏度分析会产生30个关于设计变量的NVH行为变量及其衍生物。 基于这些数据，构建了与设计变量函数的NVH行为的近似分析，并在20个变量的单独设计空间中的响应曲面的优化过程（部分优化程序）中使用。 搜索算法被引导通过这两个近似分析绘制信息。 来自完全不同的计算机代码的两个不相似近似的混合是优化过程中的一个新元素。 因此，该过程被命名为通过不相似分析和近似分析（OMDAA）的混合优化。
整个优化过程分为三个周期，在每个周期中，NVH数据，包括衍生物等都会被刷新，以丰富以前生成的分析数据。 一天内可以完成一个周期，故如果单处理器执行，则会消耗257天。优化从最初的“最佳猜测”状态进行，其中一些违反约束的设计会被去除从而使结构质量减少15公斤（见第4节）。
正如在摘要中所指出的，这里使用的粗粒度并行是一种有效并行处理器的方式。 虽然处理器的数量还是会受到手头应用程序的细节限制，但是该方法具有适应不变的现有（遗留）代码的明显优点。
- 汽车结构的NVH和碰撞：模型和问题
在本节中，我们将介绍整体要素的优化问题。 即噪音，振动，声振粗糙度和碰撞。 每两个元素间均涉及有限元建模和设计变量，还有共同的设计变量元素。
2.1噪音，振动和声振粗糙度（NVH）
噪音，振动和粗糙度（NVH）是汽车产品开发中最重要的属性之一。具有良好NVH的车辆通常能够带来更高的客户满意度。在汽车产品开发过程中，不同的NVH型号用于不同的目的，但都是为了使NVH的质量更高，成本更低。这项研究使用一种称为精华车身（BIP）的车身素材。BIP是一个没有可以关闭的（门，罩，甲板盖）和其他子系统（转向柱，油箱和座椅）和修剪物品（地毯，电池等）的修剪体。其车身结构可以被认为是没有悬架和动力系统子系统的车辆。 BIP也可以被认为是“白装车身”。 它在确定车辆的动态特性方面起着重要作用。使用MSC / NASTRAN进行BIP正常模式，静态弯曲和静态扭转分析，所得的全尺寸NVH有限元模型如图1所示。其中壳单元总数接近68000个，节点总数约69000个，正常模式在自由条件下计算。静态弯曲分析采用前（yz和z）和后（xz和xyz）冲击塔受限，同时静态扭转后冲击塔支撑（xz和xyz）和下散热器支撑件（z）的中点受到约束。使用在前摇摆位置施加的载荷计算的弯曲刚度为3676 N / mm，而使用在前冲击塔位置施加的扭矩计算的扭转刚度为9092 N-m / Deg。自由的正常模式分析显示，其总体扭矩为26.7 Hz，总弯曲为38.9 Hz。 NVH模型的设计变量总数为19，其中背衬玻璃和金属板厚度为10个，背衬玻璃和结构之间的连接位置为9，如图1所示。厚度设计变量包含流体面板，四分之一面板顶盖/牵引，背斜玻璃和散热器支架。初始厚度，特征设计变量及其上下限分别在表1和表2中给出。 BIP自由正常模式的扭转频率将增加10％至29.32 Hz。选择静态扭转和静态弯曲位移的上限3.3mm和1.1mm，即从初始设计改进10％。
2.2顶部碰撞
车顶碰撞是联邦的要求，旨在在碰撞发生期间增强对乘客的保护。在联邦机动车辆安全标准（FMVSS 216）中明确规定了其测试程序。本研究的有限元车顶碰撞模型时由NVH模型转换而来。碰撞有限元模型如图2所示，其特征的总结如表3所示。通过显示有限元动态的软件Radioss用于碰撞模拟并删除了NVH模型中的一些不必要的部分，并在顶部碰撞模型中添加了一些缺少的零件，如：添加了非常详细的侧门，并修复了玻璃等。顶部碰撞的元件总数约为120000.加上72英寸times;30英寸平方英尺的柱头，以进行由FMVSS 216.指定的顶部碰撞。纵轴柱塞（见图1）处于水平面以下5度的前角（侧视图），并且通过车辆纵向中心线且平行于垂直平面，横向轴线处于横向外侧角度，在前视图投影中，位于水平面以下25度，下表面与车辆表面相切，初始接触点位于柱塞下表面的纵向中心线上，距离中心线最前端的距离为10英寸。在RADIOSS模拟中，柱塞正常速度设置为7.5 MPH。如FMVSS 216中所述，由车辆阻力产生的力必须大于5000磅（22240N），或者通过5英寸的柱塞位移的车辆重量的1.5倍。在这项研究中，车顶抗压力设定为5400磅。门厚度和材料屈服应力选择为设计变量，其选取方式如表4和表5所示。
2.3常用设计变量
NVH和顶部碰撞问题的的常见设计变量有挡风玻璃，A柱，B柱，C柱和屋顶厚度，如表6所示。
2.4优化问题陈述
优化问题将以以下列形式说明：指定最小重量为公共对象，并且包括NVH和碰撞的限制子问题：
给出一组设计变量X，
发现：X
最小化：F [X，Y（X）]
满足：X界限的Gj [X，Y（X）]。 （1）
在（1）所定义的问题中，Y（X）表示NVH和碰撞的行为（状态）变量，F表示设计目标函数，Gj表示设计约束。
NVH防碰撞优化问题可以具体说明为一个涉及NVH和碰撞的“学科”的多学科问题。
给定一套系统（Z）和局部设计变量（X），
发现：Delta;X和Delta;Z，
最小化车身结构的重量
满足：静态扭转位移gt; -3.3 mm
静态弯曲位移lt;1.1 m
频率（模式3）
26.65lt;omega;3lt;29.32Hz
界面2的碰撞力（正常)gt; 24kN,超过碰撞距离lt;5英寸，
以此界定设计变量X和Z。
在这个优化任务中，NVH有30个局部设计变量，而碰撞有20个局部设计变量。 这些设计变量的一个子集（Z = 10）对于NVH和碰撞来说都是共同的。 设计变量主要是尺寸（厚度）变量和弹簧刚度。
- 分析工具和优化程序
在第3结我们描述了在NVH和耐冲击性的限制下用于最小重量的车身分析和优化程序的主要工具。 此外，这还包括了上述的被应用的计算机的信息。
3.1分析工具
使用MSC / NASTRAN v70.5（MSC / NASTRAN Guide 1998）中的解决方案序列200进行NVH分析和灵敏度计算。 因为MSC / NASTRAN是一种广泛使用的工具，读者可参考其他参考资料，了解其功能和用途的其他信息。
Crayworthiness分析是使用法国MECALOG的RADIOSS CRASH（SGI版本4.1b ）代码进行的（RADIOSS用户手册1998）.RADIOSS是一种用于执行涉及大应变的动态非线性结构分析的显式有限元分析软件。 RADIOSS的主要特点包括：
- 明确的时间整合方案，
- 有限元素库，包括8节点固体，3和4节点壳，梁和桁架以及各种类型的弹簧元件
- 接触计算包括有效的自适应算法
- 各种运动条件，包括边界条件，刚体，固定速度，刚性墙壁，铆钉，
- 超过35种典型金属，复合材料，泡沫，玻璃，蜂窝材料，塑料和橡胶等不同材料的特性。 使用者可调整各种材料特性。
RADIOSS中使用的全局算法可以概括如下：
从T = 0开始，其中T表示时间。
当T lt;Tfinal时：
计算接触力
计算元素：应变，压力，内力
求积分V=int;upsih; dt，
计算运动学约束，
求积分X=int;V dt，
计算新的时间步长dt，
T=T dt，
结束
由于碰撞模拟是一个CPU非常密集的应用程序，RADIOSS代码已经成功实现了三个主要的并行编程范例，即共享内存，消息传递和数据并行范例。本研究中使用的SGI Origin 2000计算机使用共享内存范例。 对于本文研究的车身顶部碰撞分析，对于RADIOSS的内部并行化来说n = 12是最佳的（n是处理器的数量）这是通过重复与不同数量的处理器进行相同的实验分析来确定的，即n = 1,8,9,14和16。
3.2不相似分析和近似分析的混合优化（OMDAA）
其优化方案是基于分段逼近的优化方法。 在优化过程使用了一种新的方法，即使用从不同的代码和不同的数学方法得到的近似模型来进行优化：
- NVH - MSC / NASTRAN FEA和MSC / NASTRAN（解法序列 200）内部半分析灵敏度被用于构建线性近似模型。
- 碰撞RADIOSS，通过显式FEA实行内部并行化。 多个RADIOSS分析被同时执行，以确定另一个多项式响应面近似模型的点。
这个OMDAA程序在简化分析模型上类似于Golovidov等人提出的程序（1999）。OMDAA优化方案流程图如图3所示。
首先，使用MSC / NASTRAN评估NVH约束及其对设计变量的敏感度。 使用RADIOSS代码评估碰撞约束。下一步是构建NVH和碰撞的近似模型。
通过收敛泰勒级数逼近（Starnes和Haftka 1979）来近似NVH（MSC / NASTRAN）响应。收敛近似如下式：
式中：
在上述公式中，ak（X）是步骤k的近似函数，f（X）是精确函数，g是相对于第i个设计变量的f的偏导数。碰撞约束需RADIOSS使用代码在Origin 2000上同时运行256个处理器，以在设计变量域中生成多项式响应面的数据。 使用“适应性”响应面模型（RSM）（Golovidov等人，1999）实现近似碰撞（RADIOSS）响应。在适应性RSM方法中，最初使用（m 1）个点来设计构建线性近似模型，其中m是模型输入的数量（m个碰撞设计变量）。
NVH约束及其衍生物结合响应面的碰撞约束形成了系统分析（代理分析）的近似分析，以此实现限制内的多学科优化循环。用于求解优化问题的数值优化算法是Spellucci（1998）所描述的DONLP顺序二次规划。在图1所示的内循环中。通过重新计算NVH灵敏度以更新NVH近似模型，同时保持碰撞响应面模型不变。在规定的限制内为这些近似模型找到最佳设计后，使用RADIOSS分析设计，并将碰撞响应面模型作为外部循环的一部分进行更新。外循环的每个周期都涉及对最优设计点的一个RADIOSS分析，因此对于响应面模型有一个附加点，使得能够在搜索方向上逐渐增加响应面和响应面延伸的顺序。在每个外循环中，如果设计变量已经移动到其极限，则可以同时执行另外的RADIOSS分析，以更新在新区域中的响应面模型。
连续重复外循环，直到满足系统的收敛条件。 内循环内的收敛条件为满足Kuhn-Tucker条件，而外循环代表了系统目标的递减点及所有设计限制的可行性。
- 结果和分析
本节中将展示优化前后的车身结构数据
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