(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911117752.5
(22)申请日 2019.11.15
(71)申请人 武汉理工大学
地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路
122号
(72)发明人 徐峰祥 武昆迎 邵天如 龚铭远
董壮
(74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限
公司 42102
代理人 钟锋
(51)Int.Cl.
G06F 30/15(2020.01)
G06F 30/23(2020.01)
(54)发明名称
法
(57)摘要
本发明提出一种基于权重比计算的车架多
目标拓扑优化方法，其步骤为：(1)建立车架优化
几何模型，用有限单元离散初始车架结构优化设
计区域；(2)采用折衷规划法，结合静态多工况刚
度和动态固有频率建立车架多目标拓扑优化数
学模型；(3)基于正交试验设计计算权重比；(4)
基于层次分析法计算权重比；(5)基于正交试验
和层次分析法相结合计算权重比；(6)将计算得
到的权重比组合带入综合优化目标函数，对车架
进行多目标拓扑优化设计。本发明得到的车架拓
扑结构的单元密度在整个车架上的分布较为均
匀，能够很好地展现出该电动车车架横梁的大致
数目及其相对分布位置。权利要求书1页 说明书8页 附图4页CN 110990944 A 2020.04.10
C N 110990944
A
1.基于权重比计算的车架多目标拓扑优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)根据原车架几何形状及外廓尺寸建立车架拓扑优化几何模型，用有限单元离散该模型，并划分优化设计区域和非优化设计区域；
S2)基于折衷规划法建立车架多目标拓扑优化数学模型，计算目标函数中各种工况对应的权重系数ω和ωk
的具体取值；
式中：ω为柔度目标函数的权重系数；ωk 为第k种柔度工况的权重系数；
m为工况数；
分别为车架优化迭代前后第k种工况整体结构柔度的最值；Λmin 、Λmax 分别为车架优化迭代前后整体结构平均特征值的最值；和Λmin 、Λmax 的取值可分别从结构静态刚度单工况优化和动态频率优化中得到；
S3)将综合目标函数中刚度四种工况之间的权重比系数及刚度与频率之间的权重比系数作为因素，将综合目标值作为指标，每一个因素选取4个水平值，建立一个L 16(45)正交试验，通过分析试验结果，确定一组权重比组合；
S4)基于层次分析法，根据研究者的经验对比各个工况之间相对重要性，构造矩阵，通过数学计算确定一组权重比组合；
S5)将步骤(3)和(4)中得到的两组权重比组合通过以下公式相结合得到一组新的权重
比组合：
式中ωOTD α和ωAHP α分别表示通过正交试验设计和通过层次分析法得到的第α种工况的权重值，n为所有工况数；
S6)将步骤(5)中得到的权重比组合带入综合优化目标函数，对车架结构进行多目标拓扑优化，得到车架拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的基于权重比计算的车架多目标拓扑优化方法，其特征在于，步骤S1)中用六面体网格单元离散该模型，所述优化设计区域为车架横梁位置，所述非优化设计区域为两边纵梁位置。
3.根据权利要求2所述的基于权重比计算的车架多目标拓扑优化方法，其特征在于，S3)中所述正交试验是以各个工况的权重值为因素，以综合目标为指标建立正交表，将每一组数据组合都代入综合优化目标函数进行优化分析，采用极差法分析正交试验结果，得到一组使综合目标函数达到最优的权重比组合。
权 利 要 求 书1/1页CN 110990944 A
基于权重比计算的车架多目标拓扑优化方法
技术领域
[0001]本发明属于汽车结构设计的技术领域，尤其涉及一种基于权重比计算的车架多目标拓扑 优化方法。
背景技术
[0002]商用车车架改装之后，必须经过试验或者仿真技术来验证车架结构的力学性能是否符合 使用要求。若改装车架不满足要求，就需要对车架进行优化和改进，一直到车架满足要求为 止。可想而知，这个优化和改进的过程需要投入大量的时间和成本。而且车架的材料分布不 一定合理，从而导致车架的力学性能得不到充分利用。车架作为汽车的主要支撑和装载部件， 用于支撑和连接各个总成或其它零部件，同时接收来自道路和装载货物的各种复杂载荷。因 此车架既要有足够的强度和刚度，又要使其低阶固有频率最大化避开外界激励引起的振动， 避免发生共振。所以，有必要在考虑动力电池组载荷的情况下，对车架进行前期的概念化设 计，得到车架的拓扑结构，从而确定车架横梁的数量及其相对安装位置，设计一款更适合纯 电动商用车的车架结构。
[0003]车架的这种结构优化就属于一个实际工程中最常见的以静力学领域的多工况刚度和动力 学领域的低阶固有频率同时作为优化目标的多个目标拓扑优化问题。在结构多目标拓扑优化 中，各个子目标之间权重比的分配会直接影响综合目标的优化结果，但是很多文献在研究结 构多目标优化时，权重值是直接靠经验设定的，缺乏一定的科学依据。针对多目标优化中权 重值计算方法的研究较少，所以如何合理的分配多目标优化中各子目标权重值仍是一个值得 探究的问题。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于权重比计算的车架 多目标拓扑优化方法，将正交试验设计(客观赋权法)和层次分析法(主观赋权法)相结合 确定多目标优化函数中各子目标对应权重值，以获得密度单元分布均匀以及刚度和动态频率 达到相对最优的车架拓扑结构。
[0005] 1.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于权重比计算的车架多目标拓扑优 化方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006]S1)根据原车架几何形状及外廓尺寸建立车架拓扑优化几何模型，用有限单元离散该模 型，并划分优化设计区域和非优化设计区域；
[0007]S2)基于折衷规划法建立车架多目标拓扑优化数学模型，计算目标函数中各种工况对应 的权重系数ω和ωk的具体取值；
[0008]
[0009]式中：ω为柔度目标函数的权重系数；ωk为第k种柔度工况的权重系数；m为工况
数； 分别为车架优化迭代前后第k种工况整体结构柔度的最值；Λmin、Λmax分别为车 架优化迭代前后整体结构平均特征值的最值。和Λmin、Λmax的取值可分别从结构 静态刚度单工况优化和动态频率优化中得到；
[0010]S3)将综合目标函数中刚度四种工况之间的权重比系数及刚度与频率之间的权重比系数 作为因素，将综合目标值作为指标，每一个因素选取4个水平值，建立一个L16(45)正交试验， 通过分析试验结果，确定一组权重比组合；
[0011]S4)基于层次分析法，根据研究者的经验对比各个工况之间相对重要性，构造矩阵，通 过数学计算确定一组权重比组合；
[0012]S5)将步骤(3)和(4)中得到的两组权重比组合通过以下公式相结合得到一组新的权 重比组合：
[0013]
[0014]式中ωOTDα和ωAHPα分别表示通过正交试验设计和通过层次分析法得到的第α种工况的权 重值，n为所有工况数；
[0015]S6)将步骤(5)中得到的权重比组合带入综合优化目标函数，对车架结构进行多目标拓 扑优化，得到车架拓扑结构。
[0016]按上述方案，步骤S1)中用六面体网格单元离散该模型，所述优化设计区域为车架横梁 位置，所述非优化设计区域为两边纵梁位置。
[0017]按上述方案，S3)中所述正交试验是以各个工况的权重值为因素，以综合目标为指标建 立正交表，将每一组数据组合都代入综合优化目标函数进行优化分析，采用极差法分析正交 试验结果，得到一组使综合目标函数达到最优的权重比组合。
[0018]本发明的有益效果是：提供一种基于权重比计算的车架多目标拓扑优化方法，克服了传 统仅采用主观赋权法或客观赋权法确定权重比所存在的缺点。客观赋权法计算权重的数据是 从客观环境中获取原始信息，不存在研究人员的主观判断，客观性较强。但是并没有考虑实 际工程中各子目标之间的相对重要性，往往得到的目标权重系数与实际工程中各目标之间的 相对重要程度相反；主观赋权法的优点是可以保证目标权重与目标实际重要程度相一致。但 是结果具有较强的主观随意性，缺乏一定的客观性，而且得到的结果不一定是最优的。本发 明将客观赋权法(正交试验设计)和主观赋权法(层次分析法)相结合，
保留了上述两种方 法的优点，使得到的权重比组合更加合理。。
附图说明
[0019]图1为本发明一个实施例的流程图。
[0020]图2a为本发明一个实施例的原车架几何模型图。
[0021]图2b为本发明一个实施例的车架优化几何模型图。
[0022]图3为本发明一个实施例的车架优化几何模型的区域划分图。
[0023]图4为本发明一个实施例的车架的拓扑优化有限元模型图。
[0024]图5为本发明一个实施例的同水平平均值与因素水平关系图。
[0025]图6a为本发明一个实施例的车架多目标拓扑优化结构轴测图。
[0026]图6b为本发明一个实施例的车架多目标拓扑优化结构背面图。
[0027]图7为本发明一个实施例的车架多目标拓扑优化迭代曲线。
具体实施方式
[0028]为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。
[0029]如图1所示，提供一种基于权重比计算的车架多目标拓扑优化方法，以获得密度单元分 布均匀以及刚度和动态频率达到相对最优的车架拓扑结构。
[0030](1)根据原车架几何形状及外廓尺寸建立的车架优化几何模型如图2a、图2b所示。采 用六面体网格离散该模型，并划分优化设计区域和非优化设计区域如图3所示，车架的拓扑 优化有限元模型如图4所示。
[0031](2)建立车架多目标拓扑优化数学模型。基于折衷规划理论，考虑静态学领域的多工况 刚度和动态学领域的结构频率，建立了车架结构的多目标拓扑优化数学模型如下式所示：
[0032]
[0033]式中：ω为柔度目标函数的权重系数；ωk为第k种柔度工况的权重系数；
分 别为车架优化迭代前后第k种工况整体结构柔度的最值；Λmin、Λmax分别为车架优化迭代前 后整体结构平均特征值的最值。和Λmin、Λmax的取值可分别从结构静态刚度单工 况优化和动态频率优化中得到。综合优化目标函数中各种工况对应的权重系数ω和ωk的具体 取值将在后面内容中详细阐述。
[0034](3)基于正交试验计算权重比。由综合优化目标函数式(1)可知，权重系数分为两类， 一类为静态刚度四种工况之间的权重比系数：ω1、ω2、ω3、ω4；另一类为静态刚度和动态 频率之间的权重比系数：ω、(1-ω)。根据正交试验理论，将综合目标函数中刚度四种工况之 间的权重比系数及刚度与频率之间的权重比系数作为因素，将综合目标值作为指标。由于静 态刚度和动态频率两者之间的权重系数的和为1，为了减少试验次数，只需将静态刚度与动 态频率中其一的权重值作为试验因素即可，这里取静态刚度的权重系数ω作为因素。每一个 因素选取4个水平值，所以本次试验是研究五种因素四个水平的正交试验如表1所示，每一 种情况的水平权重值和为1即ω1+ω2+ω3+ω4＝1。
[0035]表1
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