【OptiStruct要领】设计灵敏度分析与参数优化

之前我们已经介绍了模态贡献量、板块贡献量、节点贡献量以及传递路径分析，大家对于NVH问题的常规诊断方法应该都有所了解了。在介绍之前的各种诊断方法的时候，都涉及到了响应研究(study)这个概念，其目的是假定抑制某些具有显著贡献的因素(如模态、板块、节点等)，以此来观察响应的变化。但这些都停留在“研究”阶段，真正要落实到响应的下降，还需要去更改实际结构的设计。在详细设计阶段，参数优化是非常有用的方法。

基于梯度法的参数优化方法，虽然能对成百上千的变量进行优化，但变量越少效率越高，因此比较合理的做法是先进行灵敏度分析。

传统的灵敏度分析是优化的衍生产品，即必须进行优化设置才能输出.slk或者.sens文件，通过.slk或者.sens文件可以看到并识别高灵敏度变量。

   

基于HyperWorks进行

设计灵敏度分析与参数优化流程

流程方法如下：

• 可使用HyperMesh中的Process Manager流程化创建设计灵敏度分析工况

• 后基于内嵌的宏命令批量创建变量

• 使用HyperView中的设计灵敏度专业后处理工具查看与过滤高灵敏度变量，并直接导出优化头文件备用

• 可直接引用优化头文件进行基于过滤后变量的参数优化。

该方法将大大提升工况设置效率、变量创建效率，方便地过滤与导出高灵敏变量直接用于优化，便捷地完成设计灵敏度分析与参数优化的完整流程。

OptiStruct中的设计灵敏度分析(Design Sensitivity Analysis，以下简称DSA)可用于寻找对用户关注响应“灵敏”的参数。所谓设计灵敏度，即响应对设计变量的偏导数。以线性静态分析控制方程为例：

两边对设计变量X求偏导数：

则位移矢量U对设计变量的偏导数为：

一般来说，响应可以表示成U的函数：

所以响应对设计变量的灵敏度可以表示为：

灵敏度的正负表示变量与响应之间的正负相关性，灵敏度绝对数值的大小表示这种相关关系的剧烈程度。

回归到软件层面，进行设计灵敏度分析，需要用户定义响应与设计变量。响应的定义是基于工况的，用户需要定义相关工况；设计变量可以是常见的一些参数，如衬套刚度、阻尼、钣金厚度、梁截面信息等。

   

实例分析

以下实例将带大家一起通过DSA找到对于响应最“灵敏”的前10个变量，并基于这10个变量进行参数优化来降低响应峰值。

实例中定义一个频响分析工况，定义设计变量51个(车身钣金厚度6个；15个接附点3向刚度共45个)，以此找到对驾驶员头顶横梁响应点灵敏度排名前10的变量，并对这10个变量进行参数优化，实现降低响应。

Process Manager中具有多种常见工况的流程化创建模板，可以快速创建如频响分析、随机振动分析、疲劳分析等工况。

使用Process Manager可以极大简化操作流程，提高工作效率。

视频通过Process Manager设置了一个频响工况，并输出了驾驶员头顶横梁处的结构加速度响应。在这个流程中，同样设置了DSA卡片用于输出设计灵敏度。所有设置完成之后导出求解文件，命名为master_DSA.fem。

由于整车NVH问题的特殊性，往往具有大量的设计变量，如钣金厚度、接附点衬套刚度等。

HyperMesh中Tools>NVH Macros功能可以批量创建大量的设计变量，完成之后可以将变量信息导出备用，这极大节省了变量设置时间。涉及的变量如下图所示，用户亦可自定义。

只考虑15个接附点位置的刚度，所以将其他BUSH属性去除勾选，之后导出bush.fem。

同样的方法，将6个车身钣金厚度创建成变量之后导出shell.fem。

使用文本编辑器打开master_DSA.fem，将两个include文件添加进去，语句、位置如下：

保存文件，提交OptiStruct计算。

进入HyperView，载入NVH后处理专用模块，选择Design Sensitivity Analysis

载入结果文件

在Display Options中选择Linear

之后点击Load Response载入加速度响应曲线

选择关心的频率点为40Hz，载入灵敏度柱状图

可以直接通过Export Set直接将灵敏度排名前10的变量导出优化头文件快速用于尺寸优化。

进入OptiStruct用户配置模板，创建1009377号节点加速度响应，由于该响应为频变响应，因此不能直接作为目标函数，需要创建Objective Reference。之后将这个Objective Reference作为目标使其最小化，导出求解文件，将上一步导出的文件头拷贝到主文件中进行优化计算。下图为优化前后的响应曲线对比，可以看到优化后的加速度响应曲线明显降低。