智能搜索算法与ANSYS有限元分析在特种车上的应用

李新君

摘要：车辆是当前生产生活中必不可少的交通工具，特种车作为一种具有特殊功能用途的工具，随着科技的发展，其承载能力越来越大，而结构及机构等的设计越来越轻型化，这对特种车的设计阶段提出了更高的要求。因此，基于当前的科技发展，提出利用智能优化搜索算法，结合ANSYS有限元分析软件，在特种车的设计时，对具体的需求进行智能优化分析与设计。介绍了遗传优化算法、差分进化算法、人工鱼群算法、粒子群算法、蚁群算法等智能搜索算法，并提出可与ANSYS进行联合的基本接口设计，为设计人员进行特种车的设计提供参考。

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.

关键词：智能算法;ANSYS;特种车;优化设计

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

中图分类号：TP18                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）23-0205-02

0  引言

车辆是当前人类社会不可缺少的交通工具，未来也将在生产生活中扮演更重要的角色。特种车是一类具有特殊功能用途的车辆工具，如半挂车、淋浴车、炊事车、综合保障车、宿营车、高原制氧车、天线运输车等。与普通车辆类似，特种车的整体组成包括四个部分：车身、底盘、发动机、电器系统[1，2]。随着科学技术的发展，对特种车的承载能力要求越来越高，而对其结构及机构等的设计却要求更轻型化，这对特种车的设计提出了更高的要求[3]。杨献学[4]建立了某种重型特种车摆臂支架整车多体动力学模型，分析计算了车辆满载、紧急制动和超载工况下受力情况，以结构加權应变能为优化指标，对结构进行拓扑优化，结果表明在满足设计目标的同时摆臂支架的整体质量降低了20.6%。许峰[5]以某特种车车身为研究对象，进行了结构设计、零部件布置、刚强度分析、拓扑优化分析等，并以中国人体特征，对驾乘员视野进行了分析克服了传统设计理论的局限，是一种新的车身设计方法。钮彦磊[6]选择了双横臂独立悬架作为设计目标，在ADAMS/Car中建立了双横臂前悬架模型，进行了悬架的多体动力学分析，利用ADAMS/Insight找出影响目标参数的关键硬点坐标，通过实验与仿真数据的对比，表明整车的稳定性和平顺性均得到了提高。

分析可知，当前对特种车的设计阶段主要依靠一些三维数字化软件及一些常用的动力学分析与优化设计分析软件，如ANSYS、ADAMS、ABOUQS等等，但利用优化设计数学模型进行优化搜索的设计与研究非常少，利用大面积智能优化搜索算法进行优化模型最优解搜索的研究则更少，而智能搜索算法对基于目标的优化搜索具有收敛速度快，结果精确等特点，可应用于对特种车的优化设计方面。

1  智能搜索与ANSYS有限元分析

1.1 智能搜索算法

当前，人们对智能搜索算法的研究越来越深入，越来越广泛，许多智能搜索算法已经应用于多种行业中，如神经网络算法、遗传优化算法、差分进化算法、人工鱼群算法、人工蜂群算法、蝙蝠算法、布谷鸟算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚁群算法等。随着人工智能领域的发展，更多的智能算法将会诞生并得到应用。

遗传优化算法由Holand教授于1975年提出，算法基于生物进化规律，其基本概念包括种群、个体、基因等，其基本算子包括选择、交叉、变异[7]，通过二进制编码、实值编码、符号编码等方式进行软色体进化模拟，由于可对染色体、个体等数量进行设置，因此可使算法的搜索面积扩大，但数量的增多并不意味着收敛速度或结果准确性就越好，反而只会增加计算量和计算时间。差分进化算法是对遗传优化算法的改进，改进的效果是使得算法的收敛速度更快，同时也简化了遗传优化算法的计算过程，省去了许多麻烦复杂的计算，因此，在许多工程应用中使用差分进化算法代替遗传优化算法。

人工鱼群算法用于在一片水域中模拟鱼群寻食过程，水域是有边界的，这个边界在现实中表现为优化参数的边界，即保证鱼群不会在非常大的区域内寻食，以提高搜索速度和算法的收敛速度。鱼群算法计算过程主要模拟鱼群的四种行为：觅食行为、聚群行为、追尾行为、随即行为。数据间的距离可定义为鱼群个体间的距离，如公式（1）所示。

d=Xi-Xj（1）

式中，Xi为第i个鱼个体;Xj为第j个鱼个体。

粒子群算法是一种基于鸟群觅食行为的迭代进化算法，其基本概念包括：粒子、位置、速速、适应度、个体极值和群体极值等，其中个体极值是单个粒子找到的最佳位置，群体极值为所有粒子找到的最佳位置。蚁群算法由意大利学者Dorgio提出，算法通过模拟蚂蚁搜索路径行为，利用群智能理论进行最优解优化搜索。蚁群算法的基本概念包括：种群个体数量、信息素、路径、选择的概率、信息素更新等。

蝙蝠算法利用蝙蝠回声定位捕食原理，蝙蝠在寻找食物时，每秒能够发出110dB的超声波脉冲10多个，脉冲音强在接近猎物时逐渐减小，在局部搜索中，如果蝙蝠选择了一个最优解，那么将在选择的最优解附近随机产生一个新解，通过对新解进行判断，不断地变换现在处于的位置，通过一定次数的迭代逐渐收敛于最优值。

1.2 ANSYS有限元分析

随着数字计算技术的发展，许多计算机辅软件（CAD）软件诞生，而这些软件基本都涵盖了机械设计领域。在二维CAD设计方面，AutoCAD被广泛应用，且在国内大多数高校都会教授AutoCAD软件课程。在三维CAD设计方面，Pro/E、SolidWorks、UG等软件被广泛使用，这些软件中均集成了基于有限元法的CAE分析环境，如UG的NXSTRAN分析环境和3D动力学分析环境等。但这些三维CAD设计软件的有限元分析环境并不是十分专业，只能对某些结构较简单的结构进行分析，网格划分技术水平也较低，因此，在CAE分析方面，大多数的工程师会选择使用ANSYS分析软件。

有限单元法由力学和计算机技术相结合，是机械、电磁、流体、电子等领域的重要分析工具。有限單元法基于离散单元数学理论，对连续体的求解域进行有限的单元划分，通过节点边缘相互链接成整体，将无穷自由度求解问题，转化为数值求解的有限方程求解问题。有限单元法对分析模型的适应性很强，可分析线性和非线性材料，结构复杂多样的结构模型，可对固体、流体、电磁场、热传导等问题等进行分析，同时可进行多物理场耦合分析。有限单元法把数学方程的求解等效为对方程组的求解，便于使用计算机计算。

机械结构有限元分析的基本步骤是建立几何模型、定义材料属性、定义约束与边界条件、离散几何模型结构、定义单元位移模式、刚度分析、求解节点力、建立结构平衡方程、求解未知单元的应力和应变等结果。其中建立单元刚度矩阵利用几何法过程建立单元应变与节点位移的关系，利用物理方程导出单元应力与节点位移的关系，由虚工原理推出作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系。单元之间的公共边界可进行力的传递，等效节点力就是把作用在单元边界上表面力根据静力等效的原则全部移至节点上。

ANSYS为用户提供了多种网格划分方案，可对结构进行网格控制，可对结构静力分析、动力分析、模态分析、谐响应分析、模态分析、热力学分析、固耦合分析、电磁场分析等。在实际应用中，需根据具体的应用软件进行有限元网格的分析和划分，结构的网格划分的越细，网格单元的数量就越多，但消耗更多的计算时间。ANSYS中包括了3D和2D两大类网格划分。2D网格单元主要有四边形网格和三角形网格，在某些场合可混合使用这两种网格形式，如图1所示。四面体网格可快速、自动生成任意几何体网格，在关键区域可使用曲度和近似尺寸功能进行网格细化，并对边界层网格进行识别，但对相同结构几何体单元和节点数会高于六面体网格，不易在一个方向上进行网格排列，对薄实体或环形体网格划分效果不好。

在某些结构中可混合使用网格，如薄壁类结构可使用扫掠形式的网格单元进行划分，在膨胀层中可产生纯六面体或棱柱网格，对结构较为复杂的几何体使用多区域网格划分方法。ANSYS提供了多区网格划分解决方案，一个多体部件中的某些结构可应用扫掠划分，一些则可应用四面体网格划分。

1.3 计算逻辑与接口设计

目前，智能搜索算法一般通过编程软件实现，如Visual Studio、Eclipse、MATLAB等，其中使用MATLAB会使得算法的计算与程序编制更加方便，因此可选择使用MATLAB作为智能算法的计算工具。智能算法的计算结果为优化设计中的优化参数，因此需到ANSYS中更新优化参数，更新后的参数再进行有限元分析，分析结果导入算法程序，重新计算得到优化参数。可知，在这一过程中优化参数如何自动更新到ANSYS以及ANSYS计算结果如何自动导入MATLAB算法程序是接口设计的主要困难点，有待相关人员进一步设计和研究。

2  结束语

特种车在人类社会生产生活中扮演着重要的角色。本文提出了一种智能优化搜索算法于ANSYS相结合的，应用在多种车辆设计中的方式，介绍了多种大面积智能搜索算法，包括遗传优化算法、差分进化算法、人工鱼群算法、粒子群算法、蚁群算法等，对ANSYS优化设计模块进行了介绍和分析，提出搜索算法于SNSYS有限元分析进行结合的接口方式，为车辆设计阶段提供参考。

参考文献：

[1]赵重年，杨聪，李红勋.某特种车非圆齿轮无级变速器锥形离合器动力学仿真分析[J].专用汽车，2018（12）：95-100.

[2]郭贵平.某特种车驾驶室结构设计分析及优化[D].南京理工大学，2015.

[3]符耀民，罗卫东，贺迪华，等.特种车排气管消声器优化设计及温度场数值分析[J].机床与液压，2019，47（08）：176-180.

[4]杨献学，张庆，夏闽，等.重型特种车底盘摆臂支架拓扑优化设计研究[J].汽车工程学报，2016，6（01）：29-34.

[5]许峰.某型特种车车身设计分析与优化研究[D].南京理工大学，2012.

[6]钮彦磊.某特种车悬架设计及优化[D].南京理工大学， 2018.

[7]曹昌勇，林华，王洪新，等.电液伺服滑模消抖控制差分优化研究及仿真[J].洛阳理工学院学报（自然科学版），2019，29（02）：30-34，41.