[发明专利]汽车车身材料结构匹配轻量化设计方法、系统及存储介质

说明书

本发明公开了一种汽车车身材料结构匹配轻量化设计方法、系统及存储介质，以汽车车身薄壁结构厚度和材料牌号作为设计参数，达到以B柱侵入量、B柱侵入速度、B柱比吸能或汽车车身结构重量为设计目标，达到在保证汽车耐撞性不下降的同时降低汽车重量的目的。

技术领域

本发明涉及汽车结构设计领域，特别是一种汽车车身材料结构匹配轻量化设计方法、系统及存储介质。

背景技术

汽车工业是当代工业领域的重要支柱产业之一，随着汽车工业的快速发展，其所带来的环境污染、能源短缺和交通安全问题也日益凸显。环保、节能和安全已成为目前汽车工业发展所面临的主要问题，而这些问题都与汽车轻量化密切相关。世界铝业协会研究表明：当汽车自重每减10％，燃油消耗以及排放可分别降低6％～8％与5％～6％；油耗每减少1升，二氧化碳排放量就会相应减少2.45kg。从安全性的角度来说，对汽车进行减重能够有效减少刹车距离，从而降低事故发生率。无论是从节能减排还是从安全性来说，汽车的轻量化都将永无止境，与之相关的材料、成形以及设计方面的研究将一直是汽车行业中的前沿和热点。

汽车轻量化设计指的是在保证汽车耐撞性、安全性、稳定性、平顺性等性能指标不降低且造价不升高的情况下，合理减轻汽车重量。实现轻量化的一个途径是从汽车结构入手，通过多学科优化等先进的设计手段，优化汽车部件的拓扑结构、尺寸与形状参数，将零件复合化、薄壁化和中空化等。

事实上，为了保证汽车车身结构的耐撞性并减轻其重量，不仅可以考虑对汽车车身结构中不同部件的尺寸参数进行优化，还可以通过为不同的部件合理分配不同的材料来达到这一目的。例如，在对汽车车侧身进行轻量化设计时，为了保证乘客的安全，通常希望在侧面碰撞发生时，汽车B柱的侵入量和侵入速度能够尽量小。从优化的角度来说，该问题具有两个特点：1)同时包含连续变量(即薄壁结构厚度)和离散变量(即部件材料)；2)汽车B柱的侵入量和侵入速度这两个性能指标没有具体的数学表达式，只能通过有限元分析或物理实验获得。因此，这种同时考虑部件尺寸和部件材料的设计问题通常被称为车身多材料结构匹配设计。

在对汽车进行轻量化设计时，通常将整个设计过程描述为一个优化问题，并通过求解该优化问题来实现具体的轻量化设计。在所描述的优化问题中，一些部件的物理性能，例如碰撞吸能、碰撞峰值力、部件质量等，将被作为性能指标来衡量汽车的耐撞性、安全性等性能，而部件尺寸、结构、材料等参数则被视为设计参数。通过调整设计参数，最大/最小化这些性能指标或让这些性能指标满足一定的设计需求，即可达到不降低汽车各项性能的同时实现汽车轻量化。而车身多材料结构匹配设计问题则主要包含以下三个特点：

·黑盒：汽车轻量化所描述的优化问题通常不具备一个显示的表达式。这意味着，在求解这类优化问题时，往往只能知道对应于一组参数的目标函数响应，而无法获得诸如梯度、二阶导数等数学特性。

·昂贵：对于很多性能指标，只能通过有限元分析等仿真工具或实际物理实验才能获得其具体的数值。这一过程将会消耗大量的时间和财力。因此，大量多次地对一些性能指标进行评价是不现实的。

·包含两种及以上的变量类型：汽车车身多材料结构匹配设计所描述的优化问题可能同时包含诸如部件尺寸这种连续变量和诸如材料选择这种离散变量。

值得注意的是，车身多材料结构匹配设计问题具有黑盒和昂贵两个特性。这两个特性使得我们无法对汽车部件的一些性能指标进行大量评价，也无法使用传统的基于梯度的优化方法。为了有效处理带有黑盒和昂贵特性的汽车结构设计问题，在过去的十几年里，许多基于代理模型的优化算法被提出。然而，大部分方法都针对于仅包含连续设计参数的设计问题，针对于诸如车身多材料结构匹配设计这类同时包含多种变量类型的方法比较少见。现有的针对于包含多种变量类型的方法，仅采用单一种类的代理模型。这种方式往往难以有效的近似带有多种变量类型的目标函数及约束条件，进而难以有效的引导算法找到高质量的最优解。

发明内容