吉林大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (4): 1133-1139.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170851

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基于MBNWS算法的假人胸部结构多目标优化设计

吉野辰萌, 樊璐璐, 闫磊, 徐涛, 林烨, 郭桂凯   

  1. 吉林大学 机械科学与工程学院,长春130022
  • 收稿日期:2017-10-08 出版日期:2018-07-01 发布日期:2018-07-01
  • 通讯作者: 郭桂凯(1984-),男,讲师,博士.研究方向:计算固体力学.E-mail:ggk@jlu.edu.cn
  • 作者简介:吉野辰萌(1962-),男,教授,博士生导师.研究方向:结构优化设计.E-mail:y_chenmeng@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(11502092).

Multiobjective optimization design for dummy chest structure based on MBNWS algorithm

YOSHINO Tatsuo, FAN Lu-lu, YAN Lei, XU Tao, LIN Ye, GUO Gui-kai   

  1. College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China
  • Received:2017-10-08 Online:2018-07-01 Published:2018-07-01

摘要: 基于结构材料灵敏度分析,建立了具有粗细网格单元搭配特点且满足试验标定的假人胸部结构有限元简化模型。为了提高该简化模型的“拟人”精度,以同时降低胸部位移峰值及摆锤力峰值与物理假人的误差为目标,建立了基于材料参数的假人胸部多目标优化模型,及其高精度的目标函数代理模型。选取BFGS拟牛顿算法,结合应用加权和技术及Frisch内点罚函数处理,设计了可用于求解不等约束的多目标优化算法,即MBNWS算法。运用该算法获得了假人胸部简化模型多目标优化问题的Pareto最优解集及其前端。结果表明:优化设计后的假人胸部模型可更准确地模拟碰撞中物理假人胸部的力学响应特性。同时,该算法运行速度快、效率高,可推广应用于快速、有效地求解工程中的多目标优化问题。

关键词: 机械设计, 汽车碰撞, 假人胸部建模, 多目标优化, 帕累托最优解, 加权和法, BFGS算法

Abstract: A simplified finite element model of the dummy chest is established based on sensitivity analysis of the structural material properties. The model is characterized with coarse and fine meshes and also satisfies the experimental calibration. In order to improve the anthropomorphic precision of the simplified model, the engineering issue is abstracted as a multiobjective optimization issue, which aims to reduce errors of both chest displacement and pendulum force between the simplified dummy and the physical dummy simultaneously. Considering sternum material parameters as the optimization parameters, high precision surrogate models of objectives are constructed by polynomial response surface method. A MBNWS algorithm is proposed, which is based on BFGS method in conjunction with weighted sum technique and Frisch method. The Pareto optimal solution and its front of the optimization problem for dummy chest are achieved by the MBNWS algorithm. The optimized dummy chest structure can simulate the mechanical response of the physical dummy chest more accurately during vehicle collision. In addition, the MBNWS algorithm is proved fast and efficient, and it is suitable to solve multiobjective optimization problem in engineering practice.

Key words: mechanical design, vehicle crash, dummy chest modeling, multiobjective optimization, Pareto optimal solution, weighted sum method, BFGS algorithm

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