一种基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外壳成形中的应用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外壳成形中的应用方法；其具体包括：参数化建立燃料舱外壳热成形冲压工艺模拟3D模型、DOE试验设计与初始采样、构建初始Kriging模型、代理模型精度评价与序列加点优化。本发明专利技术将代理模型与参数化集成计算结合，实现构建燃料舱外壳工艺优化代理模型自动化，实现有限元仿真前后处理参数化，整个流程搭建方便简洁，只需在基于Matlab搭建的优化设计平台操作，极大节省时间人力，具有较好的工程适用性。用性。用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外壳成形中的应用方法


[0001]本专利技术属于工程设计
，尤其涉及到一种基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外壳成形中的应用方法。

技术介绍

[0002]在复杂的工程问题前往往面临着性能评价函数难以获取的问题，通过建立高精度的仿真模型来寻优时又面临着高昂的计算成本问题，代理模型技术的出现有效缓解了这种现状，学者们对基于代理模型的优化方法也展开了深入研究，并在工程及其他各个领域广泛应用该类方法。目前，国内外对代理模型技术的运用在飞行器翼形优化、船舶航行性能、涡轮叶片仿真、空气动力学以及流体力学等多个领域均有显著成效。在构建代理模型过程中，为了获得高精度代理模型，就越需要在设计空间中提取大量的样本点，也就意味着昂贵的仿真费用，因此为了减少样本数量，现如今研究应用最广的就是自适应动态加点策略，即在加点的同时持续不断更新代理模型，直至达到精度要求。
[0003]无论是初始采样还是自适应加点，都需要重复调用仿真模型获取目标性能函数的真实响应值，当设计变量与目标函数之间的隐函数关系较为复杂或非常复杂时，需要使用大量样本点才能模拟出设计变量与目标函数之间的关系，随着迭代次数增加，需要的样本点也在增加，当面对的工程对象十分复杂，也许需要成百上千个样本点，也就意味着需要调用成百上千次仿真模型，若采用人工调用仿真无疑是巨大的耗时耗力。因此本专利技术以典型热加工工艺热成形为例，通过Python语言，以Matlab计算软件对有限元分析软件Abaqus进行前后处理二次开发，实现Matlab与Abaqus数据交互，基于Matlab完成基于自适应代理模型的热成形集成仿真计算工艺参数优化平台搭建。
[0004]Abaqus是目前国际上最为通用的大型非线性有限元分析软件之一，软件包括各种丰富的材料库和单元库，能够模拟绝大部分工程材料的线性和非线性行为，材料与单元之间的组合能力很强，可以实现复杂结构的静态和动态分析。而Python语言是一种简单、功能强大的编程语言，具有高效率的高级数据结构，可以简单有效的实现面向对象编程，Python简洁的语法和对动态输入的支持，再加上解释性语言的本质，使得它在大多数平台上都是一个理想的脚本语言，特别适合用于快速的应用程序开发。Abaqus二次开发通常有4种途径：(1)通过用户子程序开发新的模型，控制Abaqus计算过程和计算结果；(2)通过环境初始化文件改变缺省设置；(3)通过内核脚本实现前处理建模和后处理结果分析计算；(4)通过GUI脚本创建新的图形用户界面和用户交互。Abaqus的内核脚本语言为Python，为用户提供了一套应用程序接口实现前处理、后处理等操作，接口编程也是采用Python语法编写，因此本专利技术采用第3种方法，通过编写Python脚本文件控制Abaqus内核实现前后处理二次开发。
[0005]本专利技术以自适应代理模型优化为基本框架，结合数学计算软件Matlab,对Abaqus前后处理进行二次开发，实现Matlab与Abaqus数据交互，实现对燃料舱外壳冲压成形模拟的自动化联合仿真参数优化,并集成为热成形集成计算优化设计平台,整个流程只需在优
化设计平台执行，操作方便简单。

技术实现思路

[0006]本专利技术的专利技术目的是：为解决实际工程黑箱问题和大幅减轻复杂分析时引起的庞大计算负担，代理模型技术得到了广泛的应用。但面对较为复杂的工程问题时，为了获得满足精度要求的代理模型，也许需要成百上千的样本点，也就意味着成百上千次模型仿真计算分析，因此为了解决人工调用仿真的大量重复性操作，提出了一种基于代理模型的自动参数化联合仿真参数优化设计方法,并集成为智能仿真优化设计平台，极大简化了构建工程代理模型的操作步骤，节省大量时间耗费。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外壳成形中的应用方法，其特征在于实现基于燃料舱外壳冲压成形自适应代理模型的自动化流程，实现燃料舱外壳热成形冲压工艺无GUI界面参数化前后处理，实现Matlab与Abaqus自动化数据交互，完成冲压成形工艺代理模型的构建，并且通过自适应加点优化代理模型精度，整个搭建好的流程只需在集成的仿真平台执行，包括以下步骤：
[0008]A.参数化建模，建立燃料舱外壳热成形冲压工艺模拟仿真3D模型，对几何模型设置材料参数属性、动态显示分析步、接触属性、边界条件；
[0009]B.DOE试验设计，确定模型设计变量，利用拉丁超立方采样获取初始样本，确定目标函数，获取目标函数响应；
[0010]C.将步骤B得到的初始样本点及对应的真实响应值构建初始Kriging代理模型；
[0011]D.使用交叉验证，采用均方根误差RMSE作为代理模型精度的评指标，通过加点准则、智能进化算法获取更新样本集，构建满足精度要求的代理模型；
[0012]进一步地，所述步骤A中建立燃料舱外壳热成形冲压模拟的3D模型，设置材料参数属性、动态显示分析步、接触属性、边界条件，通过Abaqus软件根据相关尺寸参数建立，具体包括以下分步骤：
[0013]A1.成形板料为1024mm
×
1024mm
×
15mm矩形板材，材料为5A06铝合金，表1为中国5A06铝合金在室温下力学性能数据，成型模具包括上凹模、下凸模、左右凹模，具均设置为刚体；
[0014]表1中国5A06铝合金室温力学性能
[0015]弹性模量/GPa屈服强度σ
0.2
/MPa抗拉强度/MPa断裂伸长率/％剪切强度/MPa70.3582.37156.520.293.7
[0016]A2.定义材料属性，密度为2630kg/m3，杨氏模量为70GPa，泊松比为0.25，定义动态显示分析步，定义模具与板料接触属性；
[0017]A3.设置边界条件，对上模具施加+y方向180mm的位移载荷，分别对左模具、右模具施加+z、
‑
z方向285mm位移载荷，对下模具施加完全固定约束；
[0018]A4.选择合适网格类型、网格大小进行网格划分；
[0019]进一步地，所述步骤B确定模型设计变量，利用拉丁超立方采样获取初始样本，确定目标函数，获取目标函数响应，具体包括以下分步骤：
[0020]B1.确定设计变量，利用拉丁超立方采样规则获取初始样本；
[0021]B2.编写外部脚本，实现前处理参数化建模；
[0022]B3.选择材料成型后的最大米塞斯应力(Maximum Mises Stress,MMS)作为性能函数，编写外部脚本，获得初始样本的真实响应值；
[0023]进一步地，所述步骤C以步骤B产生的初始样本点及对应的响应值构建初始Kriging代理模型，记录初始均方根误差RMSE；
[0024]进一步地，所述步骤D根据步骤C中建立的初始代理模型为先验模型，通过智能进化算法以及加点策略产生满足要求的更新样本点，加入新增点重新构建初始代理模型，反复迭代，最后获得满足精本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外壳成形中的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：A.参数化建模，建立燃料舱外壳热成形冲压工艺模拟仿真3D模型，对几何模型设置材料参数属性、动态显示分析步、接触属性、边界条件；B.DOE试验设计，确定模型设计变量，利用拉丁超立方采样获取初始样本，确定目标函数，获取目标函数响应；C.将步骤B得到的初始样本点及对应的真实响应值构建初始Kriging代理模型；D.使用交叉验证，采用均方根误差RMSE作为代理模型精度的评指标，通过加点准则、智能进化算法获取更新样本集，构建满足精度要求的代理模型。2.如权利要求1所述的基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外壳成形中的应用方法，其特征在于，所述步骤A中建立燃料舱外壳热成形冲压模拟的3D模型，设置材料参数属性、动态显示分析步、接触属性、边界条件，通过Abaqus软件根据相关尺寸参数建立，具体包括以下分步骤：A1.成形板料为1024mm
×
1024mm
×
15mm矩形板材，材料为5A06铝合金，成型模具包括上凹模、下凸模、左右凹模，具均设置为刚体；A2.定义材料属性，密度为2630kg/m3，杨氏模量为70GPa，泊松比为0.25，定义动态显示分析步，定义模具与板料接触属性；A3.设置边界条件，对上模具施加+y方向180mm的位移载荷，分别对左模具、右模具施加+z、
‑
z方向285mm位移载荷，对下模具施加完全固定约束；A4.选择合适网格类型、网格大小进行网格划分。3.如权利要求1所述的基于代理模型的集成优化设计在燃料舱外...

【专利技术属性】
技术研发人员：许焕卫，肖路，周乃迅，曾志，张炜，张经天，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：