基于meshworks和optimus副车架多学科轻量化优化

       副车架多学科优化是副车架性能、重量、成本的一种协同优化的手段。副车架的结构性能NVH、刚度、强度、耐久等。通常的分析优化过程都是按不同学科单独进行的，汇总各方向优化方向后进行模型更新，然后验证优化方案对性能的影响。多学科优化可以同时考察各项性能，并可以将质量作为设计目标，在满足各项性能的基础上进行最优化轻量化设计。在进行副车架多学科优化设计时，设计变量包括材料、料厚、形状等，如何快速方便地创建设计变量，并与优化软件联合优化仿真是实际项目中非常重要的一个环节，应用meshworks软件可以有效完成以上分析优化需求。

       本文详细介绍基于meshworks和optimus进行副车架多学科轻量化优化分析优化流程。

一. 分析工况

      本文中副车架分析工况包括：扭转刚度分析、弯曲刚度分析、模态分析（其他工况可以按同样的方式进行多学科联合，如安装点静刚度、动刚度，静强度，动强度(疲劳)等工况可以同时进行多学科优化）。求解器使用nastran。

模态分析结果

扭转刚度

弯曲刚度

性能	目标值	Base
模态[Hz]	120	124.1
扭转刚度[Nm/deg]	4500	4945.6
弯曲刚度[N/mm]	150	153.0
质量[kg]	min	15.84

二. 优化设置

设计变量：本例中共包含7个设计变量，包括3个形状变量和4个厚度变量：包括前横梁高度、侧边梁高度、后横梁高度，前横梁厚度，侧边梁厚度，和两个后横梁厚度。在meshworks中快速进行形状参数，料厚参数设置。

前横梁高度参数化

侧边梁高度参数化

后横梁高度参数化

四个件料厚参数化

Inputs	Start	Low	High
front_weight_shape[mm]	0	-15	10
side_weight_shape[mm]	0	-5	5
rear_height_shape[mm]	0	-10	10
T_Front[mm]	2	1	3
T_side[mm]	2	1	3
T_rear_r[mm]	2	1	3
T_rear_f[mm]	2	1	3

设计约束：以上副车架共考察三个工况，包括扭转刚度分析、弯曲刚度分析、模态分析。优化变量包括7个参数，设计约束以性能目标值为约束。

设计目标 ：质量最小为优化设计目标。

整个分析优化过程基于meshworks和optimus进行联合仿真优化。

meshworks和optimus联合仿真优化流程

三. Optimus优化流程设置

本例中optimus为2021版本，界面和低版本稍有差异。

3.1 首先搭建meshworks流程。meshworks流程包括1个“Input Group”（或者7个input亦可），3个“File”和1个“action”。将所需的模块拖放到图形界面，并用“connection”连起来。

3.1.1 双击“Input Group”，打开输入参数编辑窗口，按设计变量参数进行对应的设置，包括变量名，变量类型等设置。其中3个形状参数为连续变量，4厚度参数为离散变量(以列表的形式给出，见下图)。

3.1.2 双击“File”模块，打开文件编辑窗口，点击“Load”加载meshworks批处理运行的参数控制文件。然后将上一步定义好的参数(在下方蓝色Inputs框中)按对应的位置与文件中的参数进行关联，选中原文件中数值位置，再双击下侧变量名即可完成设置。按同样的方法设置其他6个参数，完成参数文件的参数关联。

注 ：其中“Format”中的Typer可以对参数的格式进行具体的设置，这个需要根据实际的情况进行设置，比如对于dyna求解文件有格式，长度要求的情况按实际需求设置即可。这里面meshworks对数值格式没有特殊要求，因此保持默认选项“None”即可。

3.1.3 双击“File”模块，打开文件编辑窗口，点击“Load”加载meshworks批处理命令.bat文件。再双击“action”，点击下方“Inputs”中上一步加载进来的.bat文件，即完成了commands设置。

这里需要注意以下几点：

1。以上设置步骤中，可以不包含.bat文件的模块，而是直接将meshworks的批处理命令写在“action”模块中的commands中即可。

2.这里没有用另外一个“file”模块来加载meshworks批处理命令所需的.msw参数化模型文件，这和批处理命令具体书写格式有关。以下详细说明。

meshworks批处理命令书写格式要求说明：

       标准的meshworks批处理命令格式如上图所示，其中.msw参数化meshworks模型文件，.inp求解器输出文件，meshworks运行log文件夹都是带绝对路径的。这个在单次运行时是没有任何问题的，但是当和优化软件进行联合时，往往会遇到问题。不同的优化软件对文件的存储位置有一定的规则，比如optimus会在生成的Project.optdir文件下的Graph文件下的子文件夹中。如右图所示。这些文件夹都是软件运行过程中自动生成的，为了保证meshworks批处理运行后可以正确地将生成的文件在正确的位置，需要修改以上批处理命令中对应文件的路径。

       按以上格式进行修改，将求解器输出文件，参数控制文件修改为相对路径，这两个都是在优化软件运行过程中需要更新的。.msw文件可以不修改，因为这个文件是优化过程中不需要更新，这也是在meshworks优化流程图形中没有将.msw这个文件加载进流程中的原因。当然，如果把这个文件也改为相对路径，并放进流程中也是可以的，但如果.msw文件比较大，则会增加无用的文件I/O时间和硬盘占用空间（这个设置同样适用于其他有类似情况的软件）。

       进一步说明，以上批处理运行过程中生成的求解器文件包含了默认的卡片。比如本例中，如果通过这种方式生成的副车架模型文件，会包含nastran的关键字卡片，如BEGIN BULK、ENDDATA。如果整个文件就是完整的可求解文件是没有问题的，但通常还会遇到有些用户是通过include模型文件的方式，只是将参数化的网格模型独立处理，而将其他信息写在头文件中。

      如本例，只是将网格模型部分用meshworks进行参数化。这时候需要保证meshworks批处理生成的模型文件中不能包含BEGIN BULK、ENDDATA才能保证正确地进行求解。

       

       此时需要修改批处理命令为 consolemorpher.exe --config_file，然后通过设置config_file来进行如上所需的特殊设置要求。本例中的config_file设置见下图，即可以实现在批处理运行meshworks时生成的模型文件不包含：BEGIN BULK、ENDDATA。

3.2 继续搭建求解器流程，本例中使用nastran求解器，其中包括模态计算，刚度计算。模态计算结果输出到.f06文件中，刚度计算结果输出到.pch文件中，质量结果输出到.f06文件中。以上没有特殊的设置，按流程正确连接即可。

3.2.1 说一下nastran模块的求解设置，如上文中meshworks模块所述，这里可以直接将nastran求解命令直接写在这里即可，或者写一个bat文件，然后用一个“file”模块将这个bat文件加载进来即可。这里面有一点需要注意，优化过程会生成大量结果数据，如果过程中不需要或者用过了之后不在需要了，可以删除文件，节省硬盘空间，比如本例中不需要f04,log,op2等文件，那么直接加上nastran的命令进行删除即可，或者在加上del批处理命令进行删除。

3.2.2 添加“output”模块到图形界面中，本例中包括模态频率，质量，刚度等响应，其中刚度需要进行结果二次处理，扭转刚度和弯曲刚度分别通过两个测点结果进行公式计算。

3.2.3 双击模态结果的“file”模块，打开设计结果提取设置界面，根据f06结果文件中模态频率结果的数据位置，进行结果提取设置。本例中提取的是第一阶模态。找到模态结果文件f06中具体的位置。通过关键字“CYCLES”来定位，在关键字“CYCLES”第七次出现的位置，右边第一个关键字符串即可定位到需要的结果数值。设置完成后通过点击“verify”来确认是否正确提取了所需的结果。

3.2.4 按同样的方法，提取刚度测点的位移结果。

3.2.5 按同样的方法，提取质量结果。

3.2.6 设置扭转刚度结果，在打开的output模块中的“Formula”栏中，给出扭转刚度计算公式“ 1575.2/((Abs($Tor_Dis_R$)+Abs($Tor_Dis_L$))/787.6/pi*180) ”。可以在value中看到公式的计算结果。

3.2.7 同样地，按此方法设置弯曲刚度计算公式。

      以上，就完成了meshworks和nastran联合计算的流程搭建。后续可以进行DOE分析、优化分析等。

      本例中，基于以上流程继续进行副车架多学科轻量化优化。采取的优化策略是先进行DOE 分析，然后构建响应面模型，最后基于响应面模型进行优化。 从而得到满足性能约束，质量最小的最优解。

四. DOE分析

4.1 右键左侧中Graph1位置，选择New method中的DOE。进入DOE设置界面，本例中选择拉丁方法，具体的样本点个数和优化问题相关，这需要一定的工程经验，本例中按默认值为100个样本点。设置完成之后点击Apply即可进行DOE分析。（点击OK会保留设置不进行DOE分析）

4.2 DOE分析完成之后，右键加载结果，然后可以进行结果后处理。右键DOE位置，选择New model即可在此DOE分析的结果基础上构建代理模型。

4.3 选择构建代理模型的方法，optimus内置了很多构建代理模型的方法，包括近似模型，差值，机器学习等方法。本例中选择smart方法，该方法可以自动选择模型精度最高的方法进行代理模型的创建。

4.4 右键代理模型，可以进行结果后处理，查看模型精度，2D、3D响应面等。

代理模型	模型精度
频率	0.998
扭转刚度	0.999
弯曲刚度	0.998
质量	0.999

模态响应面模型

扭转刚度响应面模型

弯曲刚度响应面模型

质量响应面模型

五. 优化

5.1 右键左侧中Graph1位置，选择New method中的Optimization。进入Optimization设置界面。

5.2 进入Optimization设置界面，在Objective中选择最小化质量为设计目标。打开右侧“锁”，然后即可对Outputs中的项进行设置，其中Evaluation选择我们上一步创建的代理模型“smart”，如果是设置的analysis，则是进行实际求解计算。并对响应的设计响应进行约束设置。设置完成后，点击Apply即可进行基于响应面的优化分析计算。

5.3 右键optimizaition，可以对优化结果进行后处理。

      从优化结果来看，最终所有性能都满足设计要求，副车架质量从15.84kg降低到14.64kg。 减重1.2kg ， 减重比7.6% 。

其他后处理结果：

质量-频率相关性

质量-扭转刚度相关性

质量-弯曲刚度相关性

扭转刚度-模态相关性

设计响应	相关系数
质量-扭转刚度	0.9
质量-弯曲刚度	0.42
质量-扭转模态	0.73
扭转刚度-模态	0.91

       从结果来看，本例中质量和扭转刚度性能之间的相关性最大，为0.9，这从实际分析结果可以看到，约束条件扭转刚度的改变，对质量的影响是最大的。模态和弯曲刚度的影响相对较小。而扭转刚度和扭转模态相关系数为0.91。也就是说，这里扭转刚度和扭转模态相关性非常高。但是，请注意，他们两个对于质量的相关性是不一样的。

      这说明了一个问题，有时候性能之间的相关性具有一定的欺骗性。比如，车身的频响(动刚度、vtf、ntf)性能，我认为是和车身模态性能（包含刚度和质量要素）强相关的，而和车身刚度性能没有直接关系。但是，往往改变了车身刚度，频响等性能也有很大变化。这就会让人有一种错觉，看到了刚度和频响性能之间的一种关系，甚至还像模像样的画出了一条关系曲线。但真实内在的关系是，刚度特性改变了，模态特性也改变了，从而频响特性改变了。这才是事物的本质，而不是表面上看到的刚度和频响特性之间的关系。

文章来源：cae数值优化轻量化