基于受力路径重排的驾驶室结构轻量化优化方法与流程

本发明涉及智能制造，具体为基于受力路径重排的驾驶室结构轻量化优化方法。

背景技术：

1、随着对燃油效率、环境保护和安全性的要求日益增加，如何有效降低车辆的自重，同时保持其强度和安全性，成为设计和制造中的重大挑战。更具体地，驾驶室结构作为汽车安全系统的重要组成部分，其设计的合理性直接影响着车辆的安全性、舒适性和经济性；因此，基于受力路径的结构优化方法，尤其是在驾驶室结构轻量化方面，越来越受到关注。这种方法通过对驾驶室的受力路径进行重排，进而优化结构重量，同时确保足够的安全性和稳定性，成为提升汽车性能和减少碳排放的有效手段。

2、尽管近年来在驾驶室结构优化方面取得了一些进展，但现有的设计方法仍然面临着许多挑战；传统的轻量化设计方法通常依赖于试验和经验，且未能充分考虑受力路径的优化；许多设计方案往往过于侧重于材料减重，而忽略了结构力学性能的全局优化，导致安全性、刚度等关键性能可能出现不均衡；此外，当前大多数方法仍处于较为简单的优化阶段，未能真正实现针对具体受力路径的精确重排，造成了不必要的材料浪费和不足的结构强度；因此，现有的轻量化设计方法不仅存在一定的局限性，而且难以适应日益复杂的汽车行业需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于受力路径重排的驾驶室结构轻量化优化方法，解决了上述背景技术中的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于受力路径重排的驾驶室结构轻量化优化方法，包括以下步骤：

3、s1、获取驾驶室的类型工况特征数据，并通过流线追踪分析后，确定各类型工况下的力流传递主路径；

4、s2、根据各类型工况下的力流传递主路径，并结合多工况力流传递主路径二值化表征方法，分析不同工况之间力流传递主路径的空间冲突程度，并分别筛选三维网格冲突单元及三维网格独立单元，通过判断驾驶室结构的受力路径是否存在冲突风险，向外发出路径重排信号或轻量化优化信号；

5、s3、在接收到轻量化优化信号后，记录穿过三维网格独立单元的相应类型工况下力流传递主路径中各结构单元，并结合设定的应力警戒区间，判断对应结构单元的截面厚度减薄量；

6、s4、在接收到轻量化优化信号后，记录穿过三维网格冲突单元的相应类型工况下力流传递主路径中各结构单元，并采用吞噬算法，对各工况的力流主路径进行材料分布的迭代吞噬优化分析，生成驾驶室结构的分级轻量化优化内容。

7、优选的，类型工况特征数据包括弯曲工况特征数据、扭转工况特征数据、正面碰撞工况特征数据、侧碰工况特征数据及顶压工况特征数据，其中，各类型工况特征数据中均包括对应类型工况下各结构单元的应力向量，且任一应力向量均包括应力值及应力方向。

8、优选的，流线追踪分析的逻辑为：根据各类型工况下各结构单元的应力向量，提取对应类型工况下各结构单元的应力值及应力方向，以工况载荷初始施加的结构单元作为起始结构单元，并针对与起始结构单元相连的任一结构单元，选取同一应力方向及最大应力值的对应结构单元，作为第一流线结构单元，同理分析与流线结构单元相连的下一结构单元的应力值大小及应力方向，并确定第二推进流线结构单元，以此类推，确定相应类型工况下的各推进流线结构单元，以相应类型工况下的各推进流线结构单元的连接路径，作为对应类型工况下的力流传递主路径。

9、优选的，分析不同工况之间力流传递主路径的空间冲突程度的逻辑为：以驾驶室横截面的中心位置为原点，建立驾驶室的笛卡尔坐标系，在驾驶室的笛卡尔坐标系下将各类型工况下的力流传递主路径进行空间对齐，以设定的固定间距进行空间网格划分，得到若干个三维网格单元，通过分析相应类型工况下力流传递主路径在各三维网格单元内的空间冲突水平，并结合多工况力流传递主路径二值化表征方法，分别统计三维网格冲突单元数量及三维网格独立单元数量，若三维网格冲突单元数量超过三维网格单元总数量的百分之五时，则说明驾驶室结构的受力路径存在冲突风险，向外发出路径重排信号，若三维网格冲突单元数量未超过三维网格单元总数量的百分之五时，则说明驾驶室结构的受力路径未存在冲突风险，向外发出轻量化优化信号。

10、优选的，多工况力流传递主路径二值化表征方法的逻辑为：若相应类型工况下力流传递主路径穿过相应的三维网格单元，则将对应三维网格单元的二进制数值取为一，若相应类型工况下力流传递主路径未穿过相应的三维网格单元，则将对应三维网格单元的二进制数值取为零，分别统计各个三维网格单元在相应类型工况下的二进制数值，得到各个三维网格单元的二进制总值，若相应三维网格单元的二进制总值小于二，则将对应三维网格单元记为三维网格独立单元，若相应三维网格单元的二进制总值大于或等于二，则将对应三维网格单元记为三维网格冲突单元。

11、优选的，判断对应结构单元的截面厚度减薄量的逻辑为：选取二进制总值等于一的相应三维网格独立单元，记录穿过三维网格独立单元的相应类型工况下力流传递主路径中各结构单元，并对类型工况特征数据进行特征识别，提取穿过三维网格独立单元的相应类型工况下力流传递主路径中各结构单元的应力值，设定各类型工况下力流传递主路径中结构单元的应力警戒区间，其中，应力警戒区间中的极小值和极大值分别为第一应力警戒阈值和第二应力警戒阈值；

12、针对任一类型工况下力流传递主路径中结构单元的应力值，将其小于相应应力警戒区间中第一应力警戒阈值的结构单元，记为一级减重结构单元，并将一级减重结构单元的构件截面厚度减薄量设为3h，将其处于相应应力警戒区间的结构单元，记为二级减重结构单元，并将二级减重结构单元的构件截面厚度减薄量设为2h，将其大于相应应力警戒区间中第二应力警戒阈值的结构单元，记为三级减重结构单元，并将三级减重结构单元的构件截面厚度减薄量设为h，且3h＞2h＞h。

13、优选的，应力警戒区间的设定逻辑为：针对任一类型工况下力流传递主路径中的结构单元，获取驾驶室历史正常测试的该类型工况下的多段力流传递主路径中各结构单元的应力值，作为这一类型工况下力流传递主路径中各结构单元的参考应力值，对各结构单元的参考应力值进行预处理，计算该类型工况下力流传递主路径中各结构单元应力值的均值和标准差，并确定标准差与预设裕度系数的乘积，将均值与乘积的差值作为第一应力警戒阈值，将均值与乘积的加和作为第二应力警戒阈值，根据第一应力警戒阈值及第二应力警戒阈值，确定各类型工况下力流传递主路径中结构单元的应力警戒区间，其中，预设裕度系数为不小于一的正数，预处理包括基于四分位数法剔除异常值，以及基于均值填补法填补缺失值。

14、优选的，采用吞噬算法，对各工况独立的力流主路径进行材料分布的迭代吞噬优化分析的逻辑为：在接收到路径重排信号后，选取二进制总值大于一的相应三维网格冲突单元，并记录穿过三维网格冲突单元的相应类型工况下力流传递主路径中各结构单元，以单类型工况下的各结构单元进行构建力流主路径单元集，并将各类型工况的力流主路径单元集进行合并，构建吞噬算法搜索空间；

15、以力流主路径单元集内的全体结构单元作为吞噬算法的初始种子单元集，执行迭代吞噬流程：在各迭代步中，遍历吞噬算法搜索空间内的全部候选单元，并将各候选单元的应力值进行数值比较，选取其中最大应力值的候选单元作为当前迭代步的吞噬核心单元；以吞噬核心单元为中心，对其相邻的各结构单元执行吞噬条件判断，当相邻结构单元的应力值大于或等于当前迭代步的预设吞噬应力阈值时，将相邻结构单元记为吞噬单元，并将其标记为吞噬状态，当相邻结构单元的应力值小于当前迭代步的预设吞噬应力阈值时，将相邻结构单元记为未吞噬单元；在完成当前迭代步对应的一轮吞噬操作后，将满足吞噬条件的吞噬单元列入初始力流主路径单元集；

16、根据预设的降温系数将当前迭代步的吞噬应力阈值更新为下一迭代步的吞噬应力阈值，具体为：；式中，及分别为第k次迭代步与第k+1次迭代步的吞噬应力阈值，为预设的降温系数，且c∈(0,1)；在进行多次的迭代步吞噬操作过程中，当吞噬应力阈值小于预设的吞噬应力下限阈值时，则终止迭代，记录满足多次迭代步吞噬条件吞噬单元，并构建标准力流主路径单元集。

17、优选的，生成驾驶室结构的分级轻量化优化内容的逻辑为：提取标准力流主路径单元集中吞噬核心单元及各吞噬单元的应力值，对于标准力流主路径单元集中的吞噬核心单元保持其原有构件截面厚度，对于标准力流主路径单元集中各吞噬单元执行分级减重操作，具体包括：

18、根据各吞噬单元的应力值的数值大小，按照从小到大的顺序进行排列，获取吞噬单元应力序列，分别提取吞噬单元应力序列中的下分位值及上分位值，并分别作为下限应力阈值及上限应力阈值，其中，下分位值及上限应力阈值分别表示吞噬单元应力序列中四分之一位置及四分之三位置的吞噬单元的应力值；

19、将各吞噬单元的应力值与下限应力阈值及上限应力阈值进行比较分析，若相应吞噬单元的应力值大于上限应力阈值，则保持对应吞噬单元原有的构件截面厚度，若相应吞噬单元的应力值处于下限应力阈值与上限应力阈值之间，则将对应吞噬单元的构件截面厚度减薄量设为1h，若相应吞噬单元的应力值小于下限应力阈值，则将对应吞噬单元的构件截面厚度减薄量设为2h。

20、本发明提供了基于受力路径重排的驾驶室结构轻量化优化方法，具备以下有益效果：

21、（1）通过构建路径冲突诊断、重排、轻量化双分支响应及分级定向减重的全链条优化框架，将多工况载荷传递路径的空间耦合关系作为驾驶室结构轻量化设计的直接决策依据，克服了现有方法将各工况传力路径视为独立对象分别处理所导致的结构冗余问题；在路径冲突诊断环节，本方法引入基于网格化二值表征的空间冲突量化手段，能够将不同工况力流路径在驾驶室空间坐标系下的重合与分异状态转化为可计算、可比较的数值指标，并以明确的阈值条件触发路径重排机制或轻量化机制的择一执行，使得轻量化设计流程具备了在路径层面进行主动干预的能力，而非在路径空间离散的条件下被动接受材料分配结果；在路径重排环节，采用基于吞噬算法与降温系数控制的迭代吞噬优化分析，通过应力水平的递减筛选机制将多工况下原本相互独立的力流主路径逐步融合为多工况共用的标准力流传递路径体系，从而在不改变驾驶室外廓尺寸、不侵占乘员生存空间的前提下实现了多工况承载功能在结构通道层面的共享复用；在轻量化执行环节，依据结构单元在力流路径体系中的功能等级实施差异化的截面厚度减薄策略，对核心承载单元、辅助承载单元及非路径单元分别施以不同程度的减厚操作，使得材料削减精确作用于力学贡献低的区域，而力学贡献高的区域得到充分保留，最终在满足各工况强度与刚度约束条件下实现驾驶室白车身总质量的显著降低；整体而言，将驾驶室轻量化设计的优化起点从构件截面尺寸调整前移至载荷传递路径空间体系重构，在优化变量的层级上实现了本质性跃升，为驾驶室结构的高承载效率轻量化设计提供了完整的解决方案。

22、（2）通过构建多工况力流传递主路径的二值化表征方法与基于网格统计的路径冲突度判定逻辑，实现了对不同工况之间传力路径空间耦合关系的定量化诊断，并据此建立了路径重排信号与轻量化信号的双分支响应机制；以驾驶室笛卡尔坐标系下的均匀空间网格为分析载体，通过判断各工况力流主路径是否穿过同一网格单元并据此为该网格单元赋予二进制标志值，将原本以连续空间曲线形式存在的力流路径信息转化为离散网格单元上的二值化状态矩阵；进一步通过统计各网格单元在多工况下的二进制总值，将网格单元划分为表征多工况路径共用的冲突单元与表征单工况路径独占的独立单元，并以冲突单元数量占网格总数的比例作为路径冲突风险的整体判据；这一表征与判定过程不依赖设计人员的经验判断或定性分析，而是通过具有明确数学定义的计算流程自动完成，因此其结果具有可重复性与客观一致性；当冲突单元比例超过预设阈值时，路径重排信号的发出使得后续流程能够对离散的力流路径进行基于吞噬算法的主动融合，从而在根源层面解决路径空间冲突所引发的结构冗余问题；当冲突单元比例未超过阈值时，轻量化信号的发出则使得优化流程能够直接进入基于应力等级的分级减重阶段，避免对已具备良好路径重合度的结构进行不必要的重排操作，从而节省了计算资源并提高了优化效率；这一双分支响应机制使得本方法在面对不同路径冲突程度的设计对象时均能采取与之相适应的优化策略，兼顾了优化的针对性与计算的经济性，有效克服了现有方法在路径冲突不严重时仍然执行全局性重分析所造成的计算浪费。

23、（3）在路径重排分支中引入基于吞噬算法与降温系数迭代控制的路径融合机制，并在路径重排分支与轻量化分支中均建立了以结构单元应力等级为依据的分级截面减薄策略，实现了路径层面优化与构件层面优化的有效衔接；在路径融合方面，该方法以多工况力流主路径单元集的合并结果作为吞噬算法搜索空间，将应力值最高的候选单元确定为吞噬核心，并以其为中心向相邻单元逐层执行吞噬条件判断，仅应力值不低于当前迭代步吞噬应力阈值的单元方可被纳入吞噬合集；通过降温系数对吞噬应力阈值进行逐轮递减控制，使得吞噬边界从应力水平最高的核心承载区向外逐步扩展，在迭代终止时恰好将应力水平达到合理下限的单元全部纳入多工况共用路径集合，而应力水平过低的弱承载区单元则被排除在外；这一递减吞噬机制保证了路径融合过程始终遵循高应力区域优先融合与应力层级递减扩展的物理合理顺序，针对力流主路径内部进一步设置了应力警戒区间或多级应力阈值，对于路径上的结构单元按其应力值相对于警戒阈值的分布位置划分为多个减重等级，并分别施以递进式截面厚度减薄量，使得应力裕度越大的单元获得越大的减薄幅度，而应力水平接近或超过警戒上限的单元则保持原有截面厚度或仅施以最小幅度的减薄；依据各单元在力流传递体系中的力学贡献度实施精细化梯级分配，从而在减重幅度与结构安全性之间取得优化平衡。