專利名稱：一種基于非線性多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法
技術領域：
本發明涉及以降噪為目的汽車結構優化設計方法領域，特別涉及一種基于非線性 多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法。
背景技術：
隨著我國航空航天、汽車、船舶等技術密集型產業的快速發展，以及人們對舒適性 與安全性要求的提高，使得振動和噪聲問題更為突出。其中，汽車艙室內的噪聲除損害乘客 的身體健康外，還會導致駕駛員的疲勞，從而間接影響到行車安全；過高的噪聲產生的結構 振動會加速汽車部件的老化，縮短汽車的使用壽命。如何精確的分析汽車等大型復雜結構 的噪聲特征，通過實施有效的主動措施對結構進行優化設計，改善結構系統的聲學特性，成 為目前工程領域所關注的核心技術和熱點問題之一。
眾所周知，不確定性廣泛存在于客觀世界中，汽車等工程結構在生產設計和使用 中不可避免地要遇到載荷、結構尺寸、材料特性等的不確定性影響及各種突發性外在因素 的影響，這些都會對結構的振動特性及噪聲指標產生影響，導致結構不能正常使用，甚至出 現失效的可能性。傳統的汽車結構噪聲分析和優化設計都是基于確定性模型實施的，不能 體現出實際問題含有不確定性的客觀本質，常常這些設計方案會帶來材料的大量浪費以及 一定的不安全因素。
為盡可能降低各種不確定性對汽車舒適性能的影響，設計者應在設計階段就預測 可能發生的變化，并采取相應的主動控制措施，增強參數變化波動的不敏感性，從而提高汽 車結構的使用安全性和降噪性能的穩定性，這就是基于魯棒理念進行汽車降噪方法研究的 初衷。對于實際的汽車降噪問題，要獲得足夠的不確定性信息，來構造相關參數的概率分布 函數或模糊隸屬度函數往往顯得非常困難或成本過高。而區間優化是一類相對較新的不確 定性優化方法，它利用區間描述變量的不確定性，只需要通過較少的信息獲得變量的上下 界，因此體現出更好的方便性和經濟性。另外，汽車噪聲指標相對結構參數來說均是非線性 的，而非線性區間優化的復雜程度和求解的困難程度要遠遠高于線性區間優化，國內外對 其研究工作也只在最近幾年才開始展開。因此，提出基于非線性多目標區間魯棒優化的汽 車降噪方法，對于彌補現有汽車結構噪聲分析和優化設計的不足，具有重要的工程應用價 值。發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的有關汽車降噪的結構優化存在的不足， 提供一種基于非線性多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法，將魯棒優化的理念引入到含有 區間不確定參數的汽車結構優化實際問題中，得到了一種降低艙室噪聲水平的汽車結構穩 健性設計方案。
本發明技術解決方案一種基于非線性多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法，包 括以下步驟
步驟一確定需要進行優化設計的汽車結構的基本設計變量以及相關的設計參數，其中基本設計變量X = (X1, X2, X3, X4)T包括
X1, X2, x3>x4 :分別表示前窗玻璃、后窗玻璃、車頂、車身的厚度；
根據實際物理意義和厚度尺寸約束，確定以上設計變量的初始范圍；
設計參數包括三種固體材料的物理屬性，如材料密度P i，彈性模量Ed = 1,2,3； 艙室內空氣的密度P以及聲音在空氣中的傳播速度V ;汽車車頂所承受的外載激勵幅值F。 為方便起見，將此優化模型中所涉及到的所有設計參數表示為向量α的形式，即
a = (P1, P2, P 3, E1, E2, E3, P , v, F)T
步驟二 建立汽車結構和艙內流體的有限元模型，采用耦合數值計算方法對此結構-聲場耦合系統進行頻域分析，求得各節點在不同頻率下的聲壓級1^(0，1，ω^。分析步長設定為2Hz，選取80Hz-100Hz域內的11個離散頻率。將座位上兩個觀測點處的平均聲壓級C，/;作為衡量車內噪聲水平的指標，即J 11
Lf e (a, x) = — Σ X, ω,) I ι=ι
/^tu, (α,χ) = 士[ 4；η(ο, X，(Oi)*' I
根據以上聲學計算結果，以車內兩個觀測點處的平均聲壓級作為設計目標，以結構的總質量不超過初值，各部件的最大應力不超過許用應力作為約束條件，不妨統一表示為gj(a，x) ^ Oj = 1，2. ..m，j為約束編號，m代表約束的個數；建立如下一個非線性多目標優化模型
Oijn /(a,x) = (/；(a,x), f2(a,x),...,fk(a,x)}
s. t. gj ( a , x) ^ Oj = I, 2, . . . , m
ι<ι<
其中^ γ是步驟一中所定義的設計變量初始范圍的上下界；k為目標函數的個數。
步驟三充分考慮實際工程問題的不確定性，利用區間來描述此結構-聲場耦合系統的各不確定參數^其中a 1為一區間向量，S,_2_分別表不參數向量a的上下界。
步驟四目標函數魯棒性實現
當汽車降噪優化模型中的設計參數向量a在其區間范圍內變化時，步驟二中各目標函數不再是傳統意義上的固定函數，而是轉化為區間函數。需要對非線性多目標優化模型的每個目標函數做針對性的魯棒化處理，使性能指標受設計變量和設計參數不確定因素影響的波動范圍盡可能的小。具體的處理方法有如下兩種
(I)基于區間序關系的目標函數魯棒性實現
在對步驟二所建立的優化模型進行求解時，需要比較不同設計向量下的目標函數區間的優劣。對于極小化問題，定義如下的區間序關系。/，用于定性的判斷區間數J1 =IA7TmB1 =隱5蒼〗之間的優劣關系
(A1 <CK B1 A1 > Bc I Uw > Bw [Ar B1 A1 <m B1JlAr ^ B1
其中X=卩+ J)/2為區間數A1的中點,#=(3-4/2為區間數A1的半徑；同理， ,=(I +1)/2為區間數B1的中點，Bw =(蒼-B)/2為區間數B1的半徑。該序關系表達了決策者對區間中點和半徑的偏好，這與魯棒優化設計中對目標函數的魯棒性要求是一致的。因此步驟二優化模型中的目標函數fi U，X) I彡i ( ^在《€‘=[5|，司條件下就轉化為該區間函數的中點最小和半徑最小的雙目標函數，即
權利要求
1.一種基于非線性多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法，其特征在于包括以下步驟步驟一確定需要進行優化設計的汽車結構的基本設計變量以及相關的設計參數，其中所述基本設計變量X= (X1, X2, X3, Χ4)τ包括前窗玻璃、后窗玻璃、車頂、車身的厚度；根據實際物理意義，確定以上設計變量的初始范圍；所述設計參數包括材料的物理屬性及結構所承受的外載激勵；為方便起見，所有設計參數表示為向量α的形式；步驟二 建立汽車結構和艙內空氣的有限元模型，采用耦合數值計算方法對此汽車結構-聲場耦合系統進行頻域分析，求得各節點在不同頻率下的聲壓級，以汽車內觀測點處的平均聲壓級作為設計目標，以汽車結構的總質量不超過初值，各部件的最大應力不超過許用應力作為約束條件，建立如下一個非線性多目標優化模型 f(a；%) = (/,(a x),/2( ,*) ...
2.根據權利要求1所述的一種基于非線性多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法，其特征在于所述步驟四中的目標魯棒性的實現方法為基于不同的衡量標準，靈活建立評估目標函數區間“好壞”的比較原則，即所謂的區間序關系；同時也通過級數展開方法建立目標函數對不確定參數的靈敏度函數，二者均是通過增加額外的目標函數來降低性能指標受不確定因素影響的波動范圍，以滿足觀測點處噪聲性能的目標魯棒性的要求。
3.根據權利要求1所述的一種基于非線性多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法，其特征在于所述步驟五中的可行魯棒性的實現方法為根據決策者對各約束條件滿足要求的程度，靈活建立各約束條件成立的可能性指標，取值從O到1，并根據可能度計算公式，將原約束條件轉化為能夠表達決策者偏好信息的形式，以滿足可行魯棒性的要求。
全文摘要
一種基于非線性多目標區間魯棒優化的汽車降噪方法，步驟如下1、性能指標的數學建模，確定汽車結構的設計變量，根據有限元計算結果確定觀測點處的噪聲指標，建立多目標優化模型；2、利用區間來描述系統的各不確定參數；3、基于區間序關系和靈敏度分析，對噪聲指標進行目標函數的魯棒性處理；4、基于區間可能度，對約束條件進行可行魯棒性轉換；5、利用改進的泰勒展開方法，變兩層嵌套優化問題為常規的單層優化問題；6、對轉換后的確定性多目標優化問題求解，確定汽車各部件設計值，以達到最優的降噪效果。本發明可系統化解決含區間參數的汽車降噪問題，增強了對參數變化波動的不敏感性，提高了汽車結構的使用安全性和降噪性能的穩定性。
文檔編號G06F17/50GK102999678SQ20121057496
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者王沖, 王曉軍, 邱志平, 黃仁, 許孟輝, 李云龍 申請人:北京航空航天大學