[发明专利]求解薄壁类框架结构材料优化的子区域HCA方法及系统

说明书

本发明提供了一种求解薄壁类框架结构材料优化的子区域HCA方法及系统，该方法包括外层循环和内层循环，外层循环为内层循环定义或更新目标成本，内层循环用于调整元胞材料牌号，使得内层循环的当前成本收敛于目标成本；在执行内层循环时，使用基于PID控制策略的元胞材料牌号更新规则更新元胞材料牌号，定义候选材料库和名义流动应力，更新当前元胞的名义流动应力，将名义流动应力与候选材料库中每种材料的真实流动应力进行比较，选择与名义流动应力最接近的候选材料作为当前元胞的被选材料牌号，再将当前元胞的材料参数替换为被选材料的力学参数。本发明能够高效求解含有大量材料变量的非线性动态响应优化问题，显著提高算法的鲁棒性。

技术领域

本发明属于薄壁类框架结构耐撞性优化技术领域，具体涉及一种求解薄壁类框架结构材料优化的子区域HCA(混合元胞自动机)方法。

背景技术

汽车车身、轨道交通车身以及工程机械产品是由多种不同材料的薄壁结构装配而成的空间框架结构。多材料薄壁类框架结构是解决产品安全(如汽车、轨道交通、工程机械)与成本需求的有效途径和必然趋势。开展多材料薄壁类框架结构的最佳材料选择与优化设计，不仅可以提升薄壁类框架结构的力学性能(如耐撞性)，而且可以降低其成本。考虑耐撞性和成本的薄壁类框架结构的材料匹配优化属于包含大量离散型变量的非线性动态响应优化问题。由于碰撞仿真的输出响应非线性程度较高且存在数值噪声和震荡，基于梯度的优化算法难以有效求解薄壁类框架结构耐撞性优化问题。进化算法通常需要进行数以千计的有限元仿真分析，导致其优化时间非常漫长。基于代理模型的优化算法是解决上述问题的主要途径，然而，当设计变量的数量较多时(如超过30个，甚至更多)，基于代理模型的优化算法的寻优效率也会大幅度降低。

混合元胞自动机(Hybrid Cellular Automata，HCA)方法作为一种非梯度的启发式算法，可以求解包含大规模设计变量(如材料密度或单元厚度)的非线性动态响应优化问题。然而，现有方法主要基于内能密度均匀化分布的思想来更新材料密度或单元厚度，很难求解包含多个性能约束函数的薄壁类框架结构的多材料优化问题，并且容易陷入局部最优解。目前，在离散型设计空间内，求解大规模材料变量的非线性动态响应优化问题的高效方法较为少见。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种求解薄壁类框架结构材料优化的子区域混合元胞自动机方法，能够高效求解大规模材料变量的非线性动态响应优化问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

求解薄壁类框架结构材料优化的子区域HCA方法，包括步骤：

S1，构建薄壁类框架结构的初始碰撞有限元模型、子区域元胞自动机模型，并定义材料牌号变量和场变量；所述初始碰撞有限元模型用于材料牌号和成本优化；

S2，执行外层循环：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成本；

S3，执行内层循环：

S3.1，构造阶跃式目标内能密度函数，并更新阶跃式目标内能密度；

S3.2，使用基于PID控制策略的元胞材料牌号更新规则更新元胞材料牌号；

具体为：定义候选材料库和名义流动应力，更新当前元胞的名义流动应力，将名义流动应力与候选材料库中每种材料的真实流动应力进行比较，选择与名义流动应力最接近的候选材料作为当前元胞的被选材料牌号，再将当前元胞的材料参数替换为被选材料的力学参数；

S3.3，若内层循环不满足收敛条件，返回S3.1，否则退出内层循环，并执行S4；

S4，若外层循环不满足全局收敛条件，则返回S2，利用内层循环更新元胞材料牌号；否则输出优化结果。

进一步地，所述候选材料库表示为：