智能搜索算法與ANSYS有限元分析在特種車上的應用

李新君

摘要：車輛是當前生產生活中必不可少的交通工具，特種車作為一種具有特殊功能用途的工具，隨著科技的發展，其承載能力越來越大，而結構及機構等的設計越來越輕型化，這對特種車的設計階段提出了更高的要求。因此，基于當前的科技發展，提出利用智能優化搜索算法，結合ANSYS有限元分析軟件，在特種車的設計時，對具體的需求進行智能優化分析與設計。介紹了遺傳優化算法、差分進化算法、人工魚群算法、粒子群算法、蟻群算法等智能搜索算法，并提出可與ANSYS進行聯合的基本接口設計，為設計人員進行特種車的設計提供參考。

Abstract： Vehicles are an indispensable means of transportation in the current production and life. As a tool with special functions and uses， with the development of technology， its carrying capacity is getting larger and larger， and the design of structures and mechanisms is increasing. The lighter， the higher the requirements for the design stage of special vehicles. Therefore， based on the current technological development， it is proposed to use intelligent optimization search algorithm， combined with ANSYS finite element analysis software， to conduct intelligent optimization analysis and design for specific requirements when designing special vehicles. Introduced genetic optimization algorithm， differential evolution algorithm， artificial fish swarm algorithm， particle swarm algorithm， ant colony algorithm and other intelligent search algorithms， and proposed a basic interface design that can be combined with ANSYS to provide reference for designers to design special vehicles.

關鍵詞：智能算法;ANSYS;特種車;優化設計

Key words： intelligent algorithm;ANSYS;special vehicle;optimal design

中圖分類號：TP18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0205-02

0? 引言

車輛是當前人類社會不可缺少的交通工具，未來也將在生產生活中扮演更重要的角色。特種車是一類具有特殊功能用途的車輛工具，如半掛車、淋浴車、炊事車、綜合保障車、宿營車、高原制氧車、天線運輸車等。與普通車輛類似，特種車的整體組成包括四個部分：車身、底盤、發動機、電器系統[1，2]。隨著科學技術的發展，對特種車的承載能力要求越來越高，而對其結構及機構等的設計卻要求更輕型化，這對特種車的設計提出了更高的要求[3]。楊獻學[4]建立了某種重型特種車擺臂支架整車多體動力學模型，分析計算了車輛滿載、緊急制動和超載工況下受力情況，以結構加權應變能為優化指標，對結構進行拓撲優化，結果表明在滿足設計目標的同時擺臂支架的整體質量降低了20.6%。許峰[5]以某特種車車身為研究對象，進行了結構設計、零部件布置、剛強度分析、拓撲優化分析等，并以中國人體特征，對駕乘員視野進行了分析克服了傳統設計理論的局限，是一種新的車身設計方法。鈕彥磊[6]選擇了雙橫臂獨立懸架作為設計目標，在ADAMS/Car中建立了雙橫臂前懸架模型，進行了懸架的多體動力學分析，利用ADAMS/Insight找出影響目標參數的關鍵硬點坐標，通過實驗與仿真數據的對比，表明整車的穩定性和平順性均得到了提高。

分析可知，當前對特種車的設計階段主要依靠一些三維數字化軟件及一些常用的動力學分析與優化設計分析軟件，如ANSYS、ADAMS、ABOUQS等等，但利用優化設計數學模型進行優化搜索的設計與研究非常少，利用大面積智能優化搜索算法進行優化模型最優解搜索的研究則更少，而智能搜索算法對基于目標的優化搜索具有收斂速度快，結果精確等特點，可應用于對特種車的優化設計方面。

1? 智能搜索與ANSYS有限元分析

1.1 智能搜索算法

當前，人們對智能搜索算法的研究越來越深入，越來越廣泛，許多智能搜索算法已經應用于多種行業中，如神經網絡算法、遺傳優化算法、差分進化算法、人工魚群算法、人工蜂群算法、蝙蝠算法、布谷鳥算法、粒子群算法、模擬退火算法、蟻群算法等。隨著人工智能領域的發展，更多的智能算法將會誕生并得到應用。

遺傳優化算法由Holand教授于1975年提出，算法基于生物進化規律，其基本概念包括種群、個體、基因等，其基本算子包括選擇、交叉、變異[7]，通過二進制編碼、實值編碼、符號編碼等方式進行軟色體進化模擬，由于可對染色體、個體等數量進行設置，因此可使算法的搜索面積擴大，但數量的增多并不意味著收斂速度或結果準確性就越好，反而只會增加計算量和計算時間。差分進化算法是對遺傳優化算法的改進，改進的效果是使得算法的收斂速度更快，同時也簡化了遺傳優化算法的計算過程，省去了許多麻煩復雜的計算，因此，在許多工程應用中使用差分進化算法代替遺傳優化算法。

人工魚群算法用于在一片水域中模擬魚群尋食過程，水域是有邊界的，這個邊界在現實中表現為優化參數的邊界，即保證魚群不會在非常大的區域內尋食，以提高搜索速度和算法的收斂速度。魚群算法計算過程主要模擬魚群的四種行為：覓食行為、聚群行為、追尾行為、隨即行為。數據間的距離可定義為魚群個體間的距離，如公式（1）所示。

d=Xi-Xj（1）

式中，Xi為第i個魚個體;Xj為第j個魚個體。

粒子群算法是一種基于鳥群覓食行為的迭代進化算法，其基本概念包括：粒子、位置、速速、適應度、個體極值和群體極值等，其中個體極值是單個粒子找到的最佳位置，群體極值為所有粒子找到的最佳位置。蟻群算法由意大利學者Dorgio提出，算法通過模擬螞蟻搜索路徑行為，利用群智能理論進行最優解優化搜索。蟻群算法的基本概念包括：種群個體數量、信息素、路徑、選擇的概率、信息素更新等。

蝙蝠算法利用蝙蝠回聲定位捕食原理，蝙蝠在尋找食物時，每秒能夠發出110dB的超聲波脈沖10多個，脈沖音強在接近獵物時逐漸減小，在局部搜索中，如果蝙蝠選擇了一個最優解，那么將在選擇的最優解附近隨機產生一個新解，通過對新解進行判斷，不斷地變換現在處于的位置，通過一定次數的迭代逐漸收斂于最優值。

1.2 ANSYS有限元分析

隨著數字計算技術的發展，許多計算機輔軟件（CAD）軟件誕生，而這些軟件基本都涵蓋了機械設計領域。在二維CAD設計方面，AutoCAD被廣泛應用，且在國內大多數高校都會教授AutoCAD軟件課程。在三維CAD設計方面，Pro/E、SolidWorks、UG等軟件被廣泛使用，這些軟件中均集成了基于有限元法的CAE分析環境，如UG的NXSTRAN分析環境和3D動力學分析環境等。但這些三維CAD設計軟件的有限元分析環境并不是十分專業，只能對某些結構較簡單的結構進行分析，網格劃分技術水平也較低，因此，在CAE分析方面，大多數的工程師會選擇使用ANSYS分析軟件。

有限單元法由力學和計算機技術相結合，是機械、電磁、流體、電子等領域的重要分析工具。有限單元法基于離散單元數學理論，對連續體的求解域進行有限的單元劃分，通過節點邊緣相互鏈接成整體，將無窮自由度求解問題，轉化為數值求解的有限方程求解問題。有限單元法對分析模型的適應性很強，可分析線性和非線性材料，結構復雜多樣的結構模型，可對固體、流體、電磁場、熱傳導等問題等進行分析，同時可進行多物理場耦合分析。有限單元法把數學方程的求解等效為對方程組的求解，便于使用計算機計算。

機械結構有限元分析的基本步驟是建立幾何模型、定義材料屬性、定義約束與邊界條件、離散幾何模型結構、定義單元位移模式、剛度分析、求解節點力、建立結構平衡方程、求解未知單元的應力和應變等結果。其中建立單元剛度矩陣利用幾何法過程建立單元應變與節點位移的關系，利用物理方程導出單元應力與節點位移的關系，由虛工原理推出作用于單元上的節點力與節點位移之間的關系。單元之間的公共邊界可進行力的傳遞，等效節點力就是把作用在單元邊界上表面力根據靜力等效的原則全部移至節點上。

ANSYS為用戶提供了多種網格劃分方案，可對結構進行網格控制，可對結構靜力分析、動力分析、模態分析、諧響應分析、模態分析、熱力學分析、固耦合分析、電磁場分析等。在實際應用中，需根據具體的應用軟件進行有限元網格的分析和劃分，結構的網格劃分的越細，網格單元的數量就越多，但消耗更多的計算時間。ANSYS中包括了3D和2D兩大類網格劃分。2D網格單元主要有四邊形網格和三角形網格，在某些場合可混合使用這兩種網格形式，如圖1所示。四面體網格可快速、自動生成任意幾何體網格，在關鍵區域可使用曲度和近似尺寸功能進行網格細化，并對邊界層網格進行識別，但對相同結構幾何體單元和節點數會高于六面體網格，不易在一個方向上進行網格排列，對薄實體或環形體網格劃分效果不好。

在某些結構中可混合使用網格，如薄壁類結構可使用掃掠形式的網格單元進行劃分，在膨脹層中可產生純六面體或棱柱網格，對結構較為復雜的幾何體使用多區域網格劃分方法。ANSYS提供了多區網格劃分解決方案，一個多體部件中的某些結構可應用掃掠劃分，一些則可應用四面體網格劃分。

1.3 計算邏輯與接口設計

目前，智能搜索算法一般通過編程軟件實現，如Visual Studio、Eclipse、MATLAB等，其中使用MATLAB會使得算法的計算與程序編制更加方便，因此可選擇使用MATLAB作為智能算法的計算工具。智能算法的計算結果為優化設計中的優化參數，因此需到ANSYS中更新優化參數，更新后的參數再進行有限元分析，分析結果導入算法程序，重新計算得到優化參數。可知，在這一過程中優化參數如何自動更新到ANSYS以及ANSYS計算結果如何自動導入MATLAB算法程序是接口設計的主要困難點，有待相關人員進一步設計和研究。

2? 結束語

特種車在人類社會生產生活中扮演著重要的角色。本文提出了一種智能優化搜索算法于ANSYS相結合的，應用在多種車輛設計中的方式，介紹了多種大面積智能搜索算法，包括遺傳優化算法、差分進化算法、人工魚群算法、粒子群算法、蟻群算法等，對ANSYS優化設計模塊進行了介紹和分析，提出搜索算法于SNSYS有限元分析進行結合的接口方式，為車輛設計階段提供參考。

參考文獻：

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[4]楊獻學，張慶，夏閩，等.重型特種車底盤擺臂支架拓撲優化設計研究[J].汽車工程學報，2016，6（01）：29-34.

[5]許峰.某型特種車車身設計分析與優化研究[D].南京理工大學，2012.

[6]鈕彥磊.某特種車懸架設計及優化[D].南京理工大學， 2018.

[7]曹昌勇，林華，王洪新，等.電液伺服滑模消抖控制差分優化研究及仿真[J].洛陽理工學院學報（自然科學版），2019，29（02）：30-34，41.