基于碰撞安全的车身结构轻量化多目标优化设计研究

陈剑宇

奇瑞汽车股份有限公司大连分公司

辽宁省大连市 116000

摘要：随着汽车工业的快速发展，轻量化设计成为提高汽车燃油经济性和减少尾气排放的有效途径，然而在轻量化设计的同时，碰撞安全性能也成为汽车工程师们必须重视的问题。未来的汽车工程设计中，应当继续深入研究和应用多目标优化设计方法，不断提升汽车碰撞安全性能，同时推动车身结构轻量化，助力汽车工业向更加绿色、高效的方向发展。

关键词：碰撞安全；车身结构；轻量化；多目标优化设计

引言

随着汽车工业的持续发展，车身结构轻量化设计成为提高汽车燃油经济性和减少环境影响的重要途径。然而，在追求车身轻量化的同时，碰撞安全性能必须得到充分考虑，这导致了碰撞安全性能和轻量化目标之间的矛盾。因此，本研究旨在探索基于多目标优化的方法，以平衡碰撞安全性能和车身轻量化目标，通过结构设计、材料选型等手段，实现车身结构轻量化同时兼顾碰撞安全性能的目标。通过本研究的探讨，期望为汽车工程领域的轻量化设计提供新的思路，并为汽车工业的可持续发展做出贡献。

1案例分析

以某汽车型号为例，应用优化后的车身结构进行碰撞模拟。通过对比优化前后的结果，发现优化后的车身结构在碰撞事故中具有更好的安全性和更轻的质量。通过基于碰撞安全的车身结构轻量化多目标优化设计，可以实现车身结构的轻量化，同时保证碰撞安全性。在某汽车型号的案例分析中，优化后的车身结构在碰撞安全性和车身质量方面表现出显著的改进（如图1）。这些研究结果对于汽车工业的车身设计和轻量化研究具有重要指导意义。

图1整车碰撞模型

2车身结构轻量化和碰撞安全性能的重要性

2.1保障驾乘人员生命安全

车辆在发生碰撞时，其碰撞安全性能直接决定了驾乘人员的生命安全。优秀的碰撞安全性能可以有效减缓碰撞过程中产生的冲击力，保护车内乘员免受伤害。通过合理的构造设计、材料选型和优化工艺，车身结构可以在碰撞时吸收和分散能量，减少对乘员的冲击，从而降低人员伤亡风险。因此，碰撞安全性能的提升直接关系到车辆的pass次数和驾乘人员的生命安全，是车辆设计不可或缺的部分。

2.2提升车辆结构的完整性

除了保护驾乘人员安全外，碰撞安全性能还关乎着车辆本身的结构完整性。在碰撞事故中，良好的碰撞安全性能可以减小车身结构的变形程度，降低事故损失，从而节约维修成本，延长车辆寿命。同时，车辆结构的完整性也直接影响着车辆的再利用率和二手市场价值。因此，在车身设计中，注重碰撞安全性能的提升不仅可以保障车辆结构的完整性，还对车辆经济性和社会环境产生积极影响。

2.3促进汽车行业发展

随着用户对汽车安全性能的关注度不断提高，碰撞安全性能已经成为衡量汽车质量的重要指标之一。良好的碰撞安全性能不仅能提升汽车生产企业的品牌形象和用户口碑，还有助于满足国家与地区对车辆碰撞安全性能的法规标准。因此，加强碰撞安全性能的研究与应用，将有利于促进整个汽车行业的健康发展，增强用户对汽车产品的安全信心，满足市场对安全性能更高标准的需求。

3基于碰撞安全的车身结构轻量化多目标优化设计方法

3.1基于材料选择的多目标优化设计方法

对于车身结构轻量化而言，材料的选择是至关重要的一环。现代汽车工程中常用的轻质材料包括铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。在多目标优化设计中，需要综合考虑材料的密度、强度、成本、可加工性等因素，以便择优选择合适的材料组合。例如，铝合金具有较低的密度和良好的强度，适合用于车身部件以降低整车质量；镁合金虽然密度更低，但也需要考虑其加工性和成本。同时，碳纤维复合材料具有极致的轻量化特性，但其成本较高，需要综合考虑使用范围。在进行多目标优化设计时，工程师可以通过建立数学模型，将密度、强度、成本等参数进行权衡，采用多目标优化算法（如遗传算法、粒子群算法等）寻找最优的材料组合，以实现在保证车身结构强度的前提下最大限度地减轻车身质量，从而提高燃油效率和性能。

3.2结构拓扑优化设计方法

结构拓扑优化是一种有效的轻量化设计方法，在车身结构设计中具有广泛的应用。通过对车身结构进行重新布局和优化，结构拓扑优化旨在在满足强度和刚度要求的前提下尽可能减轻质量。为实现这一目标，工程师可以借助计算机辅助设计软件进行模拟分析，通过数值计算和仿真验证来找出最佳的结构布局。在实际应用中，结构拓扑优化方法涉及到对车身结构的局部增强和全局优化。通过识别出冗余的部件或增加局部材料，结构的质量可以得到有效减轻，从而达到轻量化的设计目标。例如，利用有限元分析软件可以对不同的结构布局进行模拟，找出最优的结构形态。这样的优化设计方法可以让车身结构在保证安全性能的前提下获得更轻量化的设计方案，从而为汽车的节能环保和性能提升做出贡献。

3.3材料表面处理及连接方式优化方法

在车身轻量化设计中，除了考虑材料选择和结构设计外，材料表面处理和连接方式也是至关重要的因素。先进的表面处理技术（如阳极氧化、热处理等）能够显著提高材料的强度和耐腐蚀性，从而减少对材料厚度的依赖。这意味着在保证材料强度的同时可以降低材料的使用量，实现轻量化目标。例如，采用阳极氧化处理的铝合金零部件可以获得更好的耐腐蚀性，由此可以减少对防腐涂料的需求，减轻整车质量。因此，对材料进行表面处理是轻量化设计的重要方法之一。另外，优化连接方式也是轻量化设计的重要手段。采用先进的连接技术，如激光焊接、点焊、胶接等，可以在保证连接强度的前提下减少所需材料的使用量。例如，相比传统焊接方式，激光焊接可以减少热影响区，降低变形，提高焊缝质量，从而节约材料的使用。因此，在设计过程中选择适当的连接方式，可以有效减少不必要的重量，并提升整车质量。

3.4智能优化方法与仿生设计思路

随着人工智能技术的发展，智能优化方法在车身轻量化设计中发挥着越来越重要的作用。利用机器学习、遗传算法等智能优化技术，可以解决复杂的多目标优化问题，并得到更优的设计方案。通过分析大量数据，智能优化方法能够找出潜在的设计方案，缩短设计周期，降低试验成本，并帮助工程师找到更有效的设计方案，推动轻量化设计的实现。同时，借鉴自然界的生物结构，如鸟类骨骼结构、植物茎秆结构等，也能为车身轻量化设计提供新思路和灵感。通过仿生设计的方法，工程师可以从自然界中获取灵感，创造出更轻、更坚固、更高效的结构形式，使得车身轻量化设计更加符合自然规律，也能够在一定程度上降低环境对汽车的影响，实现更好的可持续性发展。

结束语

车身结构轻量化多目标优化设计方法是汽车工程领域的重要课题，它需要综合考虑材料选择、结构设计、表面处理和连接方式等多个因素。通过多目标优化算法和先进的设计思路，可以实现在保证强度和安全性的前提下尽可能降低车身质量，从而提高车辆的燃油效率、性能和安全性。随着科学技术的不断进步和创新，我们相信在未来，汽车轻量化设计将迎来更多突破和发展，为环保节能和出行安全带来更多实际的影响和改善。

参考文献

[1]王童,杜轶群,陈轶嵩,韩日美.基于结构轻量化的城市客车车身生命周期评价[J].汽车工程,2022,44(05):778-788.

[2]杨甄鑫.基于结构优化与材料优选的某乘用车白车身轻量化研究[D].广西科技大学,2022.

[3]陈延展.基于机器学习与智能优化的车身薄壁结构轻量化设计[D].湖南大学,2022.

[4]刘芳.乘用车车身结构轻量化设计影响因素研究[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2022,34(01):47-51+60.

[5]韦学军.基于碰撞安全性的汽车车身轻量化设计分析[J].中国设备工程,2021,(21):82-83.