本文關(guān)鍵詞：汽車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的快速重分析方法研究與應(yīng)用

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【摘要】：重分析是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生修改時(shí)利用初始分析的數(shù)據(jù)對(duì)修改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的快速再次分析。重分析方法分為近似重分析法和直接重分析法。近似重分析法可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的高秩修改或者全局修改,但是一般情況下只能得到修改后結(jié)構(gòu)的近似解。與之相反,直接重分析法適用于低秩修改或者局部修改,但是很多直接重分析方法能夠得到修改后結(jié)構(gòu)的精確解。同完全分析相比,重分析的計(jì)算效率有顯著提高。理論上,重分析算法能夠解決力學(xué)分析中的線彈性分析、動(dòng)態(tài)分析和非線性分析等各類問(wèn)題,也可被應(yīng)用于電磁學(xué)、熱學(xué)等其他領(lǐng)域,在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中具備相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。然而,在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)中,目前的主流重分析方法存在諸多缺陷和限制,嚴(yán)重地制約了重分析方法在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。為此,本文針對(duì)現(xiàn)有重分析方法的缺陷,以突破重分析方法的應(yīng)用瓶頸為目標(biāo),對(duì)重分析方法的計(jì)算理論進(jìn)行了補(bǔ)充與拓展,并將其應(yīng)用于汽車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。優(yōu)化問(wèn)題廣泛存在于汽車(chē)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。在汽車(chē)設(shè)計(jì)中,優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)常常是黑箱函數(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法一般需要使用目標(biāo)函數(shù)或約束函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)(梯度)甚至二階導(dǎo)數(shù)(Hessian矩陣),在汽車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)中難以實(shí)施。因此,目前主要采用啟發(fā)式算法對(duì)復(fù)雜的工程問(wèn)題進(jìn)行求解,其主要瓶頸是需要對(duì)函數(shù)進(jìn)行大量的評(píng)估,而一次函數(shù)評(píng)估往往就意味著一次大規(guī)模的仿真計(jì)算,導(dǎo)致優(yōu)化的效率難以保證。針對(duì)這一問(wèn)題,目前主流的方法多是基于代理模型技術(shù)之上。雖然這類方法可以很大程度地提高優(yōu)化的效率,但會(huì)引入代理模型的擬合誤差,更重要的是,這類誤差一般不可預(yù)測(cè)且難以控制。這意味著:當(dāng)設(shè)計(jì)人員使用代理模型時(shí),隨時(shí)都承擔(dān)著得到錯(cuò)誤結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。因此,重分析方法可以作為代理模型的替代方案應(yīng)用于汽車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。與代理模型相比,由于平衡方程的引入,重分析方法精度更高、誤差可控,使優(yōu)化結(jié)果更為可靠。本文著眼于提高重分析方法的實(shí)用性,從理論研究和實(shí)際應(yīng)用兩方面同時(shí)入手,對(duì)重分析方法展開(kāi)研究。主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)提出修正組合近似法和多重網(wǎng)格重分析法對(duì)近似重分析方法進(jìn)行擴(kuò)展。修正組合近似法針對(duì)結(jié)構(gòu)分析中剛度矩陣奇異的情況,通過(guò)奇異值分解法處理剛度矩陣的奇異性,并結(jié)合組合近似法對(duì)病態(tài)方程進(jìn)行重分析。多重網(wǎng)格重分析法用于處理結(jié)構(gòu)修改后,網(wǎng)格變化較大的情況�，F(xiàn)有的重分析方法一般要求修改后的網(wǎng)格與初始網(wǎng)格有高度的一致性,即除結(jié)構(gòu)修改影響的部分外,其他部分的節(jié)點(diǎn)編號(hào)與位置應(yīng)當(dāng)保持不變。而在CAD技術(shù)上這一點(diǎn)很難保證,因此多重網(wǎng)格重分析法使用傳遞算子建立修改后網(wǎng)格與初始網(wǎng)格的聯(lián)系,并將修改后結(jié)構(gòu)的剛度矩陣映射到初始網(wǎng)格上,從而不需要網(wǎng)格的一致性。(2)提出獨(dú)立系數(shù)法和間接分解更新法對(duì)直接重分析方法進(jìn)行擴(kuò)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的重分析方法,獨(dú)立系數(shù)法不需要初始剛度矩陣的逆或者矩陣分解等信息,因此可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間,使其能夠應(yīng)用于大規(guī)模結(jié)構(gòu)分析。并且,由于只要求初始結(jié)果作為輸入,該方法可以與任意初始求解方法聯(lián)合使用。間接分解更新法是一種適用于低秩修改,特別是邊界修改的精確重分析方法。間接分解更新法提供了一種將結(jié)構(gòu)局部修改轉(zhuǎn)化為低秩形式的方法,彌補(bǔ)了當(dāng)前直接重分析方法研究的不足。(3)提出基于重分析和CAD/CAE一體化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。以基于細(xì)分的CAD/CAE一體化技術(shù)為基礎(chǔ),使用三角形網(wǎng)格構(gòu)造細(xì)分曲面,并同時(shí)應(yīng)用于CAD建模和CAE分析。為實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的參數(shù)化控制,在細(xì)分模型上定義了特征對(duì)象,并建立了“關(guān)鍵點(diǎn)-特征線-特征面”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。基于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),優(yōu)化流程可以形成閉環(huán)回路。優(yōu)化策略上,將遺傳算法與重分析集成,結(jié)合了遺傳算法的全局收斂性和重分析的高效率。由于不需要使用代理模型,因此可以避免相應(yīng)的擬合誤差。為提高三角形網(wǎng)格的計(jì)算精度,引入邊光滑三角形單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。提出的基于圖論的邊結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法可以快速地構(gòu)造邊結(jié)構(gòu),因此大大提高了邊光滑三角形單元的計(jì)算效率和實(shí)用性。(4)提出基于重分析和路徑函數(shù)的變剛度纖維復(fù)合材料優(yōu)化方法�；谝延械难芯抗ぷ�,提出了路徑函數(shù)的定義。通過(guò)使用路徑函數(shù)的等值線來(lái)表達(dá)纖維路徑,可以將路徑函數(shù)的參數(shù)當(dāng)作設(shè)計(jì)變量,用于控制纖維路徑的形狀。并且,為考慮復(fù)合材料的制造約束,使用路徑函數(shù)定義了纖維路徑的曲率和平行度�；贛indlin板殼理論建立了變剛度復(fù)合材料層合板的有限元模型,可以通過(guò)有限元分析得到目標(biāo)函數(shù)。為提高優(yōu)化過(guò)程的效率,引入重分析方法對(duì)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行加速。并且,使用基于重分析的復(fù)合材料參數(shù)反求方法,可以快速地由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù),從而為復(fù)合材料的優(yōu)化提供前提條件。
【關(guān)鍵詞】：汽車(chē)優(yōu)化 重分析 CAD/CAE一體化 細(xì)分曲面 變剛度復(fù)合材料
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U462
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-24
• 1.1 重分析方法概述13-15
• 1.1.1 靜態(tài)重分析13-14
• 1.1.2 動(dòng)態(tài)重分析14-15
• 1.1.3 非線性重分析15
• 1.2 重分析適用的汽車(chē)優(yōu)化問(wèn)題概述15-20
• 1.2.1 基于CAD/CAE一體化的汽車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化15-17
• 1.2.2 變剛度纖維復(fù)合材料優(yōu)化17-20
• 1.3 汽車(chē)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化方法20-22
• 1.4 本文研究主要內(nèi)容22-24
• 第2章 近似重分析法研究與擴(kuò)展24-43
• 2.1 修正組合近似法24-32
• 2.1.1 基本理論24-27
• 2.1.2 數(shù)值算例27-32
• 2.2 多重網(wǎng)格重分析方法32-42
• 2.2.1 多重網(wǎng)格預(yù)條件共軛梯度法33-36
• 2.2.2 基于多重網(wǎng)格法的重分析36-39
• 2.2.3 數(shù)值算例39-42
• 2.3 小結(jié)42-43
• 第3章 直接重分析法研究與擴(kuò)展43-66
• 3.1 獨(dú)立系數(shù)法43-55
• 3.1.1 基本理論43-46
• 3.1.2 獨(dú)立系數(shù)法的計(jì)算效率和存儲(chǔ)量46-47
• 3.1.3 數(shù)值算例47-55
• 3.2 間接分解更新55-65
• 3.2.1 后置的不平衡自由度55-57
• 3.2.2 任意位置的不平衡自由度57-60
• 3.2.3 數(shù)值算例60-65
• 3.3 小結(jié)65-66
• 第4章 基于重分析和CAD/CAE一體化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化66-85
• 4.1 基于細(xì)分的CAD/CAE一體化66-72
• 4.1.1 基于細(xì)分曲面的邊界表示法66-69
• 4.1.2 設(shè)計(jì)變量定義69-72
• 4.2 基于重分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化72-77
• 4.2.1 優(yōu)化模型72
• 4.2.2 光滑有限元72-77
• 4.3 數(shù)值算例77-84
• 4.3.1 凹模減重孔優(yōu)化78-80
• 4.3.2 縱梁截面形狀優(yōu)化80-82
• 4.3.3 車(chē)門(mén)窗框截面形狀優(yōu)化82-84
• 4.3.4 討論84
• 4.4 小結(jié)84-85
• 第5章 重分析支持的變剛度纖維復(fù)合材料優(yōu)化85-107
• 5.1 纖維復(fù)合材料層合板的有限元法85-89
• 5.1.1 單層復(fù)合材料85-87
• 5.1.2 復(fù)合材料層合板87-88
• 5.1.3 基于路徑函數(shù)的纖維描述88-89
• 5.2 復(fù)合材料參數(shù)測(cè)定89-93
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)89-91
• 5.2.2 材料參數(shù)反求91-93
• 5.3 變剛度復(fù)合材料優(yōu)化模型93-97
• 5.3.1 設(shè)計(jì)變量93-95
• 5.3.2 目標(biāo)函數(shù)與約束95-97
• 5.3.3 重分析在復(fù)合材料優(yōu)化中的應(yīng)用97
• 5.4 數(shù)值算例97-106
• 5.4.1 孔板柔度優(yōu)化97-101
• 5.4.2 固支梁柔度優(yōu)化101-103
• 5.4.3 拓?fù)鋬?yōu)化懸臂梁柔度優(yōu)化103-105
• 5.4.4 重分析的討論105-106
• 5.5 小結(jié)106-107
• 結(jié)論和展望107-109
• 主要研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)107-108
• 進(jìn)一步的研究展望108-109
• 參考文獻(xiàn)109-131
• 致謝131-133
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間研究成果和發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況133-135
• 主持和參與的研究項(xiàng)目133
• 主持項(xiàng)目133
• 參與項(xiàng)目133
• 學(xué)術(shù)論文和報(bào)告133-134
• 會(huì)議論文和報(bào)告133
• 已發(fā)表和錄用的期刊論文133-134
• 已投稿的期刊論文134
• 軟件著作權(quán)與專利134-135
• 附錄B 重分析方法基礎(chǔ)135-138
• B.1 SHERMAN-MORISON-WOODBURY公式135-137
• B.1.1 Sherman-Morison公式135-136
• B.1.2 Woodbury公式136
• B.1.3 公式證明136-137
• B.2 組合近似法137-138

【相似文獻(xiàn)】

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1 周海,周來(lái)水,王占東,鐘大平;混合細(xì)分曲面尖銳和半尖銳特征生成[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2003年06期

2 吳劍煌;劉偉軍;王天然;;3~(1/2)互細(xì)分曲面的誤差分析[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2007年02期

3 朱建寧;王敏杰;魏兆成;曹斌;;直線與高精度細(xì)分曲面交點(diǎn)快速計(jì)算方法[J];大連理工大學(xué)學(xué)報(bào);2013年03期

4 朱建寧;王敏杰;魏兆成;曹斌;;快速計(jì)算平面與高精度細(xì)分曲面交線的方法[J];計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng);2014年06期

5 蘇洲;細(xì)分曲面中裂縫處理的一種方法[J];現(xiàn)代制造工程;2005年08期

6 周敏;葉正麟;彭國(guó)華;鄭紅嬋;任水利;;細(xì)分曲面的形狀調(diào)節(jié)與控制[J];機(jī)械科學(xué)與技術(shù);2006年10期

7 秦開(kāi)懷,王華維;非均勻細(xì)分曲面造型及其連續(xù)性分析[J];中國(guó)科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué);2000年03期

8 周海,周來(lái)水,王占東,鐘大平;散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的細(xì)分曲面重建算法及實(shí)現(xiàn)[J];計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào);2003年10期

9 楊軍;郝伶;;基于細(xì)分曲面的含參離散造型算法[J];南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年03期

10 原恩桃;邵兵;張曉峰;;細(xì)分曲面粗加工刀軌生成算法[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;2013年04期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前8條

1 廖文和;劉浩;;細(xì)分曲面的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[A];中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算新進(jìn)展2007——第三屆中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算大會(huì)論文集[C];2007年

2 袁鴻;劉浩;廖文和;;細(xì)分曲面造型系統(tǒng)基礎(chǔ)研究[A];中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算新進(jìn)展2007——第三屆中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算大會(huì)論文集[C];2007年

3 張景嶠;王國(guó)瑾;;基于曲線插值的細(xì)分曲面尖銳特征的生成[A];第十二屆全國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

4 任秉銀;李小冬;;一種細(xì)分曲面形狀控制方法[A];幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算的新進(jìn)展[C];2005年

5 楊軍;曾曉明;;Loop細(xì)分曲面精確求值新公式[A];中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算新進(jìn)展2007——第三屆中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算大會(huì)論文集[C];2007年

6 張嘉華;梁成;李桂清;;細(xì)分曲面的GPU完全實(shí)現(xiàn)[A];中國(guó)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)進(jìn)展2008--第七屆中國(guó)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)大會(huì)論文集[C];2008年

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8 劉蘇;張珊珊;;細(xì)分曲面在CACD系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究[A];中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算新進(jìn)展2007——第三屆中國(guó)幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算大會(huì)論文集[C];2007年

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1 黃觀新;汽車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的快速重分析方法研究與應(yīng)用[D];湖南大學(xué);2016年

2 李濤;基于四邊形網(wǎng)格的逼近型細(xì)分曲面造型關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

3 朱巍;細(xì)分曲面理論及其應(yīng)用問(wèn)題的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

4 王占東;細(xì)分曲面關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2003年

5 莊超;基于細(xì)分曲面造型的邊界元法及后處理開(kāi)發(fā)研究[D];湖南大學(xué);2013年

6 張景嶠;細(xì)分曲面生成及其在曲面造型中的應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2003年

7 周海;細(xì)分曲面造型技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2005年

8 李桂清;細(xì)分曲面造型及應(yīng)用[D];中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所;2001年

9 何鋼;基于幾何約束的細(xì)分曲面造型基礎(chǔ)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

10 劉浩;基于四邊形網(wǎng)格的細(xì)分曲面造型基礎(chǔ)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2005年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張佳磊;基于Renderman規(guī)范的Catmull-Clark層次細(xì)分曲面渲染[D];山東大學(xué);2015年

2 林傳鑾;基于Catmull-Clark細(xì)分的可控制形狀的曲面插值方法[D];福建師范大學(xué);2015年

3 劉玲;基于細(xì)分曲面的地震數(shù)據(jù)表示[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

4 潘亞雄;誤差可控的特征感知細(xì)分曲面擬合[D];華南理工大學(xué);2016年

5 陳晨;基于Loop細(xì)分模式的曲面造型和數(shù)控加工技術(shù)研究[D];東南大學(xué);2016年

6 吳元翠;細(xì)分曲面理論中的相關(guān)算法研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2013年

7 王其華;基于四邊形網(wǎng)格的細(xì)分曲面技術(shù)的研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2008年

8 王艷艷;基于細(xì)分曲面造型的研究[D];太原科技大學(xué);2008年

9 劉穎;關(guān)于細(xì)分曲面造型的研究[D];天津大學(xué);2005年

10 饒潔屏;細(xì)分曲面與經(jīng)典樣條曲面的融合[D];南京航空航天大學(xué);2005年

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本文編號(hào)：877391