一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法技术

本发明专利技术提供了一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，包括外层循环和内层循环：外层循环开展碰撞有限元仿真分析、计算输出响应和更新元胞内能密度，并利用罚函数法更新目标质量；内层循环主要根据当前元胞及其邻胞的内能密度，利用PID控制策略调整元胞厚度，使得内层循环的当前质量收敛于目标质量；最终使元胞内能密度分布尽可能逼近阶跃式目标内能密度函数。为了有效提高算法的全局最优解搜索能力，在内层循环提出了阶跃式目标内能密度更新规则。为了有效提高算法的稳健性，在内层循环提出了基于PID控制策略的更新元胞厚度规则。本发明专利技术可以高效求解离散型设计空间内包含大规模厚度变量的非线性动态响应的车身结构优化问题。

【技术实现步骤摘要】
一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法
本专利技术属于车身结构耐撞性优化
，具体涉及一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法。
技术介绍
汽车碰撞有限元仿真涉及材料非线性、几何非线性和接触边界非线性，属于典型的动态非线性分析问题。为了获得较好的汽车碰撞安全性能，车身结构耐撞性优化设计在汽车工业中得到了广泛的应用。由于碰撞仿真的输出响应存在数值噪声和物理震荡现象，基于梯度的优化算法无法有效求解车身结构耐撞性优化问题。另一方面，由于单次汽车碰撞仿真需要花费大量的计算时间，进化算法通常需要进行数以千计的有限元仿真分析，导致优化时间非常漫长。基于代理模型的数值优化方法是解决上述问题的主要途径，比较经典的算法有PSP算法、基于伪EI准则的并行EGO算法等。然而，当设计变量的数量较多(如超过30个，甚至更多)时，大多数基于代理模型的优化算法的寻优效率就会大幅度降低。混合元胞自动机(HybridCellularAutomata，HCA)方法作为一种非梯度性的启发式算法，对于求解薄壁结构耐撞性优化问题具有以下优势：1)寻优过程不需要计算梯度信息，对于求解复杂非线性且很难获得灵敏度信息的优化问题具有很大优势；2)可以快速提升结构的碰撞性能，无需大量的有限元仿真次数；3)在不明显增加计算时间的情况下可以求解大规模设计变量的优化问题。汽车车身是由大量薄壁结构组成的三维空间框架结构，车身结构耐撞性优化设计属于典型的离散型设计空间内非线性动态响应优化问题，此类问题通常包含大量不同部件的厚度设计变量。现有研究在离散型设计空间内求解大规模厚度变量的非线性动态响应优化问题的高效方法较为少见。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，能够高效求解大规模厚度变量的非线性动态响应优化问题。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，包括如下步骤：S1，构建车身结构厚度优化的初始设计碰撞有限元模型；S2，构建车身结构厚度优化的子区域元胞自动机模型，并定义厚度变量和场变量；S3，执行外层循环：通过仿真分析，获取当前设计点的元胞内能密度和约束函数值，根据当前设计点违反约束边界的程度，利用罚函数法更新目标质量；S4，执行内层循环：S4.1，构造阶跃式目标内能密度函数，并更新目标内能密度；S4.2，使用基于PID控制策略的元胞厚度更新规则更新元胞厚度；S4.3，判断内层循环是否收敛：若不满足收敛条件，返回S4.1；若满足收敛条件，则退出内层循环，并执行S5；S5：判断外层循环是否收敛：若不满足全局收敛条件，则返回S3，利用内层循环更新元胞厚度；若满足全局收敛条件，输出优化结果。进一步，所述子区域为离散型设计空间子区域，每个子区域定义的元胞自动机模型包括当前元胞及其邻胞。更进一步，所述元胞类型包括元胞类型包括一维元胞自动机、二维元胞自动机和三维元胞自动机。进一步，所述阶跃式目标内能密度函数的构造过程为：S4.1.1，根据元胞Ωi,j的下标i和j，利用为元胞定义序号，其中为第i-1个子区域的元胞数量；S4.1.2，遍历所有元胞，计算第k次外层循环的所有元胞内能密度及其平均值的差值：其中为第k次外循环的所有元胞内能密度平均值；S4.1.3，确定“阶跃点”和“阶跃区间”：遍历所有元胞，当成立时，则将的下标id定义为一个“阶跃点”，m个“阶跃点”可形成m+1个“阶跃区间”；S4.1.4，更新“阶跃点”和“阶跃区间”：若idi+1-idi+1＜Hthreshold成立，当i＝1时，删除“阶跃点”id1，“阶跃区间”由[id0,id1]更新为[id0,id2]；当i>1时，删除“阶跃点”idi-1，“阶跃区间”由[idi-1,idi]更新为[idi-2,idi]；若idi+1-idi+1＜Hthreshold不成立，保留原“阶跃点”和“阶跃区间”；S4.1.5，构造阶跃式目标内能密度函数：其中，为第k次外循环、第h次内循环中“阶跃区间”[idi-1,idi]内的目标内能密度。更进一步，所述更新目标内能密度采用的公式为：其中，M*(k)表示第k次外层循环更新得到的目标质量；M(h,k)表示第k次外循环、第h次内层循环由厚度更新得到的当前质量。进一步，所述基于PID控制策略的元胞厚度更新规则为：元胞厚度更新公式为：式中，为第i个子区域Ωi内的第j个元胞在第k次外层循环、第h次内层循环的元胞厚度；为第i个子区域Ωi内的第j个元胞在第k次外层循环、第h+1次内层循环的元胞厚度；和分别为第i个子区域Ωi内的第j个元胞的元胞厚度最小值和最大值；为第i个子区域Ωi内的第j个元胞在第k次外层循环、第h次内层循环的元胞厚度变化量，表达式为：其中，是元胞厚度更新的PID控制函数，表达式为：其中，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Kd为微分控制系数，表示第τ次外层循环的相对偏差项，表示第k-1次外层循环的相对偏差项，表示当前元胞的内能密度与目标内能密度的相对偏差项，计算公式为：进一步，所述内层循环的收敛条件为：|M(h,k)-M*(k)|<ε1ork1≥k1max，其中M*(k)表示第k次外层循环更新得到的目标质量；M(h,k)表示第k次外循环、第h次内层循环由厚度更新得到的当前质量，ε1是质量收敛因子，k1表示内层循环的迭代次数，k1max表示内层循环的最大迭代次数。进一步，所述全局收敛条件包括：(1)外层循环的迭代次数k超过预先定义的最大迭代次数kmax时，终止迭代；(2)令pf表示连续出现不可行解的迭代次数，表示连续出现不可行解的最大迭代次数；当时，终止迭代；(3)设计变量的变化量满足终止迭代；式中，N表示元胞总数，ε2表示全局收敛因子。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术的子区域CA模型既允许在不同子区域内定义不同类型的元胞自动机模型又允许在不同子区域内使用不同类型元胞状态更新规则使得混合元胞自动机方法可以解决离散型设计空间内1维、2维、3维及其任意组合的非线性动态结构优化问题。(2)本专利技术内层循环使用阶跃式目标内能密度函数，可以有效提高混合元胞自动机方法的全局最优解搜索能力。(3)本专利技术内层循环使用基于PID控制策略的更新元胞厚度规则，可以有效提高混合元胞自动机方法的稳健性。(4)本专利技术寻优过程不需要计算梯度信息，对于求解复杂非线性且很难获得灵敏度信息的优化问题具有很大优势。附图说明图1为本专利技术所述求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法流程图；图2为本专利技术子区域CA模型示意图；图3为本专利技术二维子区域CA模型示意图；图4为本专利技术阶跃式目标内能密度函数的示意图，图4(a)为Hthre本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1，构建车身结构厚度优化的初始设计碰撞有限元模型；/nS2，构建车身结构厚度优化的子区域元胞自动机模型，并定义厚度变量和场变量；/nS3，执行外层循环：通过仿真分析，获取当前设计点的元胞内能密度和约束函数值，根据当前设计点违反约束边界的程度，利用罚函数法更新目标质量；/nS4，执行内层循环：/nS4.1，构造阶跃式目标内能密度函数，并更新目标内能密度；/nS4.2，使用基于PID控制策略的元胞厚度更新规则更新元胞厚度；/nS4.3，判断内层循环是否收敛：若不满足收敛条件，返回S4.1；若满足收敛条件，则退出内层循环，并执行S5；/nS5：判断外层循环是否收敛：若不满足全局收敛条件，则返回S3，利用内层循环更新元胞厚度；若满足全局收敛条件，输出优化结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，构建车身结构厚度优化的初始设计碰撞有限元模型；
S2，构建车身结构厚度优化的子区域元胞自动机模型，并定义厚度变量和场变量；
S3，执行外层循环：通过仿真分析，获取当前设计点的元胞内能密度和约束函数值，根据当前设计点违反约束边界的程度，利用罚函数法更新目标质量；
S4，执行内层循环：
S4.1，构造阶跃式目标内能密度函数，并更新目标内能密度；
S4.2，使用基于PID控制策略的元胞厚度更新规则更新元胞厚度；
S4.3，判断内层循环是否收敛：若不满足收敛条件，返回S4.1；若满足收敛条件，则退出内层循环，并执行S5；
S5：判断外层循环是否收敛：若不满足全局收敛条件，则返回S3，利用内层循环更新元胞厚度；若满足全局收敛条件，输出优化结果。


2.根据权利要求1所述的求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，其特征在于，所述子区域为离散型设计空间子区域，每个子区域定义的元胞自动机模型包括当前元胞及其邻胞。


3.根据权利要求2所述的求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，其特征在于，所述元胞类型包括一维元胞自动机，二维元胞自动机，三维元胞自动机。


4.根据权利要求1所述的求解车身厚度优化的子区域混合元胞自动机方法，其特征在于，所述阶跃式目标内能密度函数的构造过程为：
S4.1.1，根据元胞Ωi,j的下标i和j，利用为元胞定义序号，其中为第i-1个子区域的元胞数量；
S4.1.2，遍历所有元胞，计算第k次外层循环的所有元胞内能密度及其平均值的差值：其中为第k次外循环的所有元胞内能密度平均值；
S4.1.3，确定“阶跃点”和“阶跃区间”：遍历所有元胞，当成立时，则将的下标id定义为一个“阶跃点”，m个“阶跃点”可形成m+1个“阶跃区间”；
S4.1.4，更新“阶跃点”和“阶跃区间”：若idi+1-idi+1＜Hthreshold成立，当i＝1时，删除“阶跃点”id1，“阶跃区间”由[id0,id1]更新为[id0,id2]；当i>1时，删除“阶跃点”idi-1，“阶跃区间”由[idi-1,idi]更新为[idi-2,idi]；若idi+1-idi+1＜Hthreshold不成立，保留原“阶跃点”和“阶跃区间”；
S4.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：段利斌，罗欣，江浩斌，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32