(19)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 202210610971.2 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 南京工业大 学 地址 210000 江苏省南京市浦口区浦珠南 路30号 (72)发明人 顾方秋　苏小平　张凯　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 专利代理师 徐激波 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06N 3/12(2006.01) G06F 111/04(2020.01)G06F 111/06(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种针对钢铝混合车架的材料-结构一体化 优化方法 (57)摘要 本发明公开了一种针对钢铝混合车架的材 料‑结构一体化优化方法， 包括建立车架的三维 模型和有限元模 型及经典工况的强度、 刚度和模 态计算， 使用变密度法将材料变量转化为相对密 度的连续性变量， 筛选具有针对性的设计变量， 以分组的相对密度和厚度作为设计变量设计试 验， 利用响应面模型和MOGA算法对车架进行结构 材料一体化设计， 获得优化结果后进行了验证。 本发明可靠性和适用性较高， 可以有效地对车架 进行材料 ‑结构一体化优化， 节省开发成本和开 发周期， 为材料混合车架结构 ‑材料优化的开发 提供参考。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 114861365 A 2022.08.05 CN 114861365 A 1.一种针对钢铝混合车架的材 料‑结构一体化优化方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤一： 优化对象的模型建立； 以某车架为研究对象建立车架的三维模型， 根据 车架的三维模型划分网格并且赋予部 件材料， 确定车架的约束和载荷， 完成车架的三维模型和有限元模型的建立； 步骤二： 车架的静力学分析和模态分析； 确定车架经典工况下的受载， 并对车架进行有限元分析， 根据计算结果， 对车架的应力 云图、 应变 云图和模态分布进 行综合分析， 确定车架优化的可行性， 并确定其设计空间及优 化目标， 并且通过适当的简化车架模型， 进行 车架扭转刚度和弯曲刚度的计算； 步骤三： 确定优化变量及试验设计； 对车架的板件进行分组， 以板件的材料和厚度作为变量， 通过计算各个变量的灵敏度 筛选出具有针对性的设计变量， 转化材料变量， 提取试验样本点， 并通过有限元分析计算得 到样本点所对应的样本数据； 步骤四： 响应面模型建立； 建立反映输入与输出关系的响应面模型， 并对 模型精度进行检验； 步骤五： MO GA算法优化； 根据所建立的响应面模型,利用MOGA算法对车架的材料和厚度在设计空间内进行寻 优， 得到优化的pareto 解集； 步骤六： 验证确定优化结果； 根据实际情况对pareto解集进行筛选， 根据实际情况进行圆整， 最后对优化方案进行 验证。 2.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述步骤一中， 所述有限元模型在建立时需要进行网格的划分、 材料的赋予、 载荷和 边界条件的施加。 3.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述步骤二中， 分析车架的强度、 刚度是否符合安全系 数要求， 以及模态是否避开共 振频率， 以确定优化的可 行性。 4.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述步骤二中， 在计算车架的模态 时， 由于车架的前六阶模态为刚体模态， 所以不予 考虑， 计算车架的第7到12阶模态即车架的自由模态。 5.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述步骤二中， 分析车架的弯曲刚度时， 使用车架原有载荷和约束， 并进行有限元分 析， 获得车架的弯曲变形后根据如下公式进行计算： 其中， CB为车架的弯曲刚度， a为车架的轴距， F为 等效载荷， f为车架的载荷点 挠度； 计算车架 的扭转刚度时， 现实情况为一轮悬空， 需要将后周约束中一个轮的约束全部 进行释放， 使用原有载荷进行计算， 获得车架的位移云图后可根据以下格式计算车架扭转 刚度：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114861365 A 2其中， CT为车架扭转刚度， F为 等效载荷， h为车架轮胎悬空 处的位移。 6.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述步骤三中， 计算车架各个变量的灵敏度主要 是为了筛选出车架的部分变量， 针对 车架的不同变量计算方法如下 所示： 其中S为车架的目标参数对板件的设计变量的灵敏度， f(x)为车架性能响应， xi为设计 变量； 使用灵敏度筛选设计变量的评判标准为： 灵敏度越大说明该变量对于响应的影响越显 著。 7.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述步骤三中， 所述转化材料变量， 是使用SIMP法将材料匹配的离散问题 转化为各个 变量相对密度的连续 性问题， 以便材 料结构一体化优化； 采用变密度法转 化变量的方法为： Ei＝Emin+(xi)p(Emax‑Emin)； 式中， 其中Ei为变量i的材料弹性模量， Emin为材料中较小的弹性模量即为7A 04铝的弹性 模量， Emax为材料中较大的弹性模量即为 Q345B的弹性模量， P为 惩罚因子 。 8.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述步骤三中， 试验样本点是根据拉丁超立方采样方法对所筛选的变量设计合理的 试验点。 9.根据权利要求1所述的一种针对钢铝 混合车架的材料 ‑结构一体化优化方法， 其特征 在于： 所述 步骤四中， 所建立的多 项式响应面模型的表达式为： 式中， 为拟合值， βj为系数模型系数， xj为设计变量的样本值； 此外在构建响应面模型 时， 使用相对密度变量和板件的厚度变量作为设计 变量进行构建一个响应面模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114861365 A 3