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摘要：近年来，我国的汽车行业有了很大进展，汽车车身的设计工作也越来越受到重视。基于区间分析，提出了一种考虑公差的汽车车身耐撞性稳健优化设计模型，可在有效降低耐撞性能对设计参数波动敏感性的同时实现公差范围的最大化。该模型首先利用对称公差来描述汽车碰撞模型中车身关键耐撞部件的主要尺寸、位置和形状等设计参数本身的不确定性，然后将参数设计和公差设计相结合，建立了以稳健性评价指标和公差评价指标为优化目标，设计变量名义值和公差同步优化的多目标优化模型。再次，利用区间可能度处理不确定约束，将该优化模型转换为确定性多目标优化模型。最后，将该模型应用于两个汽车耐撞性优化设计问题，并通过序列二次规划法和改进的非支配排序遗传算法进行求解，结果表明该方法及稳健优化设计模型可行且实用。
关键词：稳健性；优化设计；公差；车身耐撞性；区间分析
引言
汽车的安全指标一般以汽车的耐碰撞性和碰撞相容性以及事故对乘客伤害程度来评判，以上指标主要衡量的是汽车的安全性。当车与车发生碰撞时和发生碰撞后，通过汽车车身吸能性能和汽车的自身防碰撞能力对车内成员及对方车内乘员的保护作用。
1车身结构安全性设计原则
车身在正碰过程中，要利用车身结构的可变形区域有效的吸收车辆的动能，以确保乘员的有效安全空间不被破坏，应重点考虑撞击力的传递路径、碰撞能量吸收和驾驶室的变形情况．因此正碰安全性设计应满足：①车身结构板的可变形区域应充分变形吸收车辆的动能．②乘员舱峰值加速度应较小，避免车辆发生正碰时乘员受到较大的冲击；③较小的前围板侵入量和转向柱后移量，以确保乘员的有效安全空间，避免造成乘员伤害。
2车身耐撞性优化设计
汽车车身的耐撞性优化设计对保护汽车乘员和提高碰撞安全性非常重要。汽车车身耐撞性优化设计的目的是在碰撞过程中尽量减少乘员舱的变形，以保证乘员有足够的生存空间，同时允许前后舱发生变形，以吸收碰撞中的动能，保证乘员受到的碰撞冲击较小。在汽车耐撞性优化设计中，车身以一定的结构变形来吸收大部分的冲击能量，其主要吸能和抗撞部件如前纵梁、防撞梁等对耐撞性影响较大，而这些部件的尺寸、位置和形状等参数将对其耐撞性能产生较大影响。因此，本文在汽车车身耐撞性优化设计中，将这些影响主要吸能和抗撞部件性能的参数作为设计参数，以改善车身耐撞性。传统优化设计模型中的参数通常被认为是确定的值，通过相应的优化方法进行求解，得到的最优设计变量是一组满足耐撞性能的确定值。
3影响碰撞相容性因素分析
（1）在相同的构造和相同的刚性结构的前提下，质量不同的两个车发生碰撞，质量重的汽车会处于优势，相对于质量轻的车来说，质量重的汽车发生变形小，驾驶室遭受破坏小，因此车内乘客所遭受的伤害较小。质量轻的汽车受到来至质量重的汽车的破坏大多会造成汽车严重变形，车内乘员也比较危险。（2）在已有的研究报告中可见，当碰撞的辆汽车拥有相同的质量和相同的速度时，汽车碰撞部位的最大变形量与车自身刚度成反比。假设大车前部刚度较大，在与小车碰撞时，即使两车发生的碰撞刚度不大，大车对于小车的破坏也很大，小车在接触出也会出现较大的变形量。（3）对于汽车的几何外形的设计最终最重要是汽车所能行驶的最大高度。当行车高度不同的两车相撞时，两辆车的前部碰撞部位的受力结构会产生纵向错离，这对于行车高度低的车辆来说是由几何外形原因所造成的最严重的碰撞情况，会使其出现钻底现象。
4汽车车身耐撞性设计参数的区间稳健性优化
4.1汽车关键安全部件的选取
对正碰过程传力路径的分析能确定那些车身前端部件主要参与正碰过程，结合分析传力结构件的正碰吸能情况可选出关键安全部件。对汽车正面碰撞进行仿真计算，将计算结果进行后处理，可以得出汽车在碰撞60ms时车身前部变形最大。对碰撞过程的0～60ms进行应力分析。通过对碰撞过程中传力路径和能量分布的分析可以得出保险杠、吸能盒、前纵梁对碰撞性能和轻量化影响较大。因此文中选取保险杠、吸能盒、前纵梁作为优化设计对象，对其材料和厚度进行多目标组合优化。
4.2能量控制方法
一般拓扑优化方法对整个结构设计域设置单一的材料密度，结构设计域为单一域；而能量控制拓扑优化方法在碰撞设计区域增加能量控制，对某些重点吸收能量部分增加柔度，允许设计者对结构设计域进行子域划分，并对子域预期材料分布进行控制，使结构性能更优。设计计算时，对SSD和FSD设定不同的控制方法；在动态非线性拓扑优化计算时引入能量控制理论，在应变能约束及边界条件的控制下，使吸能影响较大的区域吸收更多能量，但整体能量呈增加趋势。
4.3改善碰撞相容性措施
改善碰撞相容性可以从两个方面进行改进。（1）对于质量大的汽车降低其碰撞刚度，提高小质量车的碰撞刚度。可以通过提升小质量车的自身刚度来抵抗撞击同时降低大质量车的刚度来减少对小质量车的冲击。（2）加强车内措施保护车内乘员。安全气囊也是一种很好的保护措施，但现在大多数商用车和普通民用车安全气囊并没有普及，对于小质量车更应该配备安全气囊以保证车内乘客安全。
4.4近似模型的建立
为了提高优化效率、减少整车有限元模型计算次数，采用近似模型对设计目标进行寻优．文中利用正交试验设计的方法对设计空间进行32次采样，并得到其样本点的计算结果，分别建立Kriging、径向基函数（ＲBF）、响应面（ＲSM）3种近似模型，通过对比其平均相对误差、最大相对误差和决定系数Ｒ2来比较各近似模型的精度，选出精度较高的近似模型作为优化模型。通过对比分析可知响应面（ＲSM）近似模型的平均相对误差、最大相对误差和决定系数Ｒ2均比Kriging和径向基函数（ＲBF）近似模型的精度高，表明响应面（ＲSM）近似模型对于正面碰撞等非线性问题有较好的拟合精度，满足工程预测的要求．因此，文中选择响应面（ＲSM）近似模型进行前端结构的多目标优化。
结语
综上所述，本文基于区间分析，提出了一种考虑公差的汽车车身耐撞性稳健优化设计模型。该模型以耐撞性能目标值的半径为稳健性评价指标，并将稳健性评价指标和公差评价指标作为优化目标，通过同时优化设计变量的名义值和公差来保证设计优化解的稳健性。将提出的优化模型应用于汽车正面碰撞的车身前端结构的耐撞性稳健优化设计中，建立了主要吸能部件包括前防撞梁、前纵梁和吸能盒的尺寸公差、形状公差及位置公差与车身耐撞性的稳健性之间的关系。利用构建的碰撞近似代理模型进行优化，获取了汽车各耐撞吸能件包括板厚、曲率半径、位置及截面积比等设计参数的优化解及公差带。工程应用案例结果表明该方法及稳健优化设计模型可行且实用，其能在保障目标函数稳健的同时实现公差的最大化，提高车身的工艺性，降低生产成本。
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