运用Isight进行头碰优化设计

01 综述

Isight是多学科优化软件，可以集成不同学科的工程软件，实现流程自动化。头碰分析通常有加速度和变形量的要求，如图1所示，10kg的刚体冲击块以1m/s的速度碰撞产品，要求冲击头位移小于16mm，通过优化设计使得加速度最小。优化变量范围如表1。

图1 优化变量

表1 优化变量范围

02 Isight流程搭建

Isight流程如图2，Catia和Abaqus均采用Simcode组件集成，需要录制宏文件。有限元后处理采用python 脚本提取冲击块的加速度和位移，并用sae100Filter函数对加速度曲线进行滤波。利用Calculator中的max和min函数对post中提取的速度和位移向量取最值。输入参数有8个，先采用正交设计，识别敏感度较高的因子。

图2 Isight流程

      数据流如下如图3，Doe中的几何参数传给Catia，厚度参数传给Abaqus；Catia中生成的*.step文件传给Abaqus，Abaqus计算的结果odb文件传给post做数据处理；经滤波后的加速度A3和位移U3传给Calculator求最值；最后将u3Max、a3Max传给Doe。

图3 数据流Dataflow

碰撞动画、加速度曲线、位移曲线如下图。

（a）碰撞动画

（b）加速度 

（c）位移

图4  Abaqus仿真结果

03 正交数组设计分析

      正交数组采用正交表安排多因子试验。本试验采用8因子2水平，识别敏感度较高的因子，以便进行后续的优化计算。设计矩阵如图5，共12组试验。

图5 正交设计矩阵

      Pareto图反应样本拟合后模型中所有项对每个响应的贡献程度的百分比，蓝色表示正效应，红色表示负效应。图6为位移响应（u3Max）和加速度响应（a3Max）的Pareto图，length_internal、Th_internal_flange、Th_internal_skin、length_external这4个因子的贡献程度较大，因此选择这4个因子来做近似模型。

（a）u3Max ParetoPlot

（a）a3Max Pareto Plot

图6 Pareto图

04 近似模型建立

优化拉丁方设计使所有的试验点尽量均匀地分布在设计空间，具有很好的填充性和均衡性。采用优化拉丁方设计，因子为小节3中的4个因子，设计32组试验。用RBF神经网络模型来拟合设计空间，加速度（a3Max）和位移（u3Max）的误差R-Squared分别为0.905和0.967，拟合精度较好，说明该近似模型可以反应因子和响应的关系。因子length_internal和Th_internal_skin对加速度和位移的影响如图7，随着碰撞区域厚度（Th_internal_skin）增加，加速度增大，位移减小；随着碰撞区域长度（length_internal）增加，加速度减小，位移增大。

图7 因子length_internal 和Th_internal_skin对加速度和位移的影响

05 利用近似模型进行优化

在小节4的近似模型基础上采用NLPQL优化算法进行优化，流程如图8。优化目标为加速度最小，约束为位移小于15.5mm。由于近似模型存在误差，约束选择小于15.5mm而不是16mm。如图9所示，经过62次优化获得收敛，加速度为114.6，位移为15.5mm。

图8 优化流程图

图9 优化过程

      

      上述优化是基于近似模型的，需要建立有限元模型进行验证，两者对比数据如表2，误差均小于5%，进一步说明近似模型的可靠性。

本案例只是提供工程优化的思路，复杂程度离实际工程项目相差较远，仅供参考，如需源文件，请留言。

作者：周伟

来源： 丰赐科技一最优IT综合解决方案商