一种考虑制造约束的防撞梁逆向智能设计方法及系统

本发明属于汽车结构设计与智能制造，具体涉及一种考虑制造约束的防撞梁逆向智能设计方法及系统。

背景技术：

1、前防撞梁与吸能盒组成的防撞总成是汽车被动安全系统中的关键吸能部件，在车辆碰撞过程中承担冲击载荷传递、碰撞能量吸收以及乘员舱结构保护的重要作用。防撞梁的截面构型、内部加强结构以及尺寸参数不仅影响碰撞过程中的变形模式和能量吸收能力，同时也影响整车质量以及制造成本，因此，如何在满足碰撞安全要求的同时实现结构轻量化，一直是汽车结构设计领域的重要研究方向。

2、现阶段，汽车防撞梁设计通常采用参数化建模与有限元仿真相结合的方式，通过建立防撞梁三维模型、设置结构尺寸参数、开展碰撞性能分析，并根据仿真结果对结构参数进行调整优化。为了提高设计效率，现有技术进一步引入响应面模型、克里金模型、径向基神经网络等代理模型，以及遗传算法、粒子群算法等智能优化算法，通过建立结构参数与碰撞性能之间的映射关系，减少部分有限元仿真次数。然而，上述方法主要针对已确定结构形式下的参数寻优，本质仍属于基于候选参数空间的搜索优化过程，其通常建立的是“结构参数到碰撞性能”的正向映射关系，难以根据目标碰撞性能要求直接反向确定满足要求的结构方案。当设计目标或约束条件发生变化时，仍需要重新构建优化过程并进行大量迭代计算；同时，在包含多种截面构型、离散结构类别以及连续尺寸参数的复杂设计空间内，传统优化方法难以兼顾设计空间覆盖范围和搜索效率。

3、针对提高防撞梁吸能性能，现有研究进一步尝试通过改变截面构型改善碰撞过程中的载荷传递和能量吸收特性，例如将竹节结构、蜂窝结构以及多腔肋板结构等仿生特征引入防撞梁截面设计中，以提高结构比吸能性能。但现有截面构型设计通常需要针对具体结构形式分别建立参数模型，并结合有限元仿真和优化算法进行参数调整，截面构型选择与尺寸参数优化通常相互独立，难以实现不同截面类别与连续尺寸参数的联合设计，导致设计空间覆盖范围受限，难以快速获得满足特定碰撞性能要求的结构方案。

4、近年来，生成式模型逐渐应用于工程结构逆向设计领域，通过学习已有结构数据分布，实现根据目标条件生成候选结构方案。部分现有方案利用生成模型建立性能条件与结构参数之间的映射关系，为结构设计提供了新的技术路径。然而，现有生成式设计方法应用于汽车防撞结构时仍存在一定不足：一方面，部分方法主要面向图像、几何形态等非结构化数据进行生成，难以直接适用于防撞梁壁厚、曲率、尺寸等具有明确制造约束的工程参数；另一方面，现有生成方案通常关注生成结构满足性能指标，而未充分考虑汽车挤压加工过程中尺寸范围、加工步长以及截面成型要求等制造约束，容易产生理论性能满足要求但实际无法加工的结构参数方案。

5、此外，现有基于生成模型的结构设计方法通常针对单一结构形式建立生成模型，难以同时处理不同截面构型类别与连续尺寸参数共同组成的复杂设计变量空间。对于防撞梁而言，不同截面构型对应不同的载荷传递路径和吸能模式，仅调整尺寸参数难以充分发挥不同结构类别的性能优势。因此，如何将不同截面构型类别与尺寸参数统一纳入结构设计空间，并根据目标碰撞性能要求实现结构类别选择与尺寸参数确定的协同生成，是现有技术尚未充分解决的问题。

6、同时，由于防撞梁设计涉及结构质量、碰撞吸能量、峰值碰撞力以及乘员舱侵入位移等多个相互制约的性能指标，单一性能指标评价难以准确反映候选结构方案的综合性能。现有方案在生成多个候选结构后，通常采用单指标筛选或简单性能预测方式确定设计结果，缺少同时结合数据分布特征和工程设计需求的多准则综合评价方法，难以直接输出综合性能优异且满足工程应用要求的防撞梁结构方案。

7、因此，现有汽车防撞梁智能设计方法仍存在以下不足：一是难以根据目标碰撞性能要求直接逆向生成结构方案，设计过程仍依赖大量参数调整和仿真迭代；二是未充分考虑不同截面构型类别与连续尺寸参数之间的协同关系，设计空间覆盖能力不足；三是生成结构缺少制造约束引导，难以保证输出方案满足实际挤压加工要求；四是缺少针对多性能指标的综合评价机制，难以从多个候选方案中自动筛选兼顾轻量化和碰撞安全性的结构方案。

8、因此，亟需提出一种能够结合制造约束、多类型截面构型以及目标碰撞性能要求，实现防撞梁结构参数逆向生成与综合优化筛选的智能设计方法。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在上述问题，本发明的目的是提供一种考虑制造约束的防撞梁逆向智能设计方法，通过构建包含多类型截面构型和制造约束的防撞梁设计空间，建立结构参数与碰撞性能数据集，利用条件扩散模型根据目标性能指标逆向生成候选结构，并通过性能预测和综合评价筛选最优设计方案。

2、一种考虑制造约束的防撞梁逆向智能设计方法，包括如下步骤：

3、获取多个防撞梁吸能截面构型，并针对不同所述吸能截面构型分别建立对应的参数化三维模型；将不同所述吸能截面构型作为防撞梁结构设计中的离散结构类别，并针对各离散结构类别设置对应的连续结构尺寸参数，以构成包含不同截面构型和结构尺寸参数的防撞梁结构设计空间；

4、根据防撞梁挤压加工要求，对所述防撞梁结构设计空间中的结构尺寸参数进行约束处理，形成满足制造要求的制造约束设计空间；并在制造约束设计空间内进行样本采样，获得多个防撞梁结构参数样本，并分别根据各所述防撞梁结构参数样本对应的参数化三维模型进行碰撞仿真，获得对应的碰撞性能响应数据；

5、基于所述防撞梁结构参数样本以及对应的碰撞性能响应数据建立训练数据集，并利用所述训练数据集训练条件扩散生成模型，其中，将不同截面构型对应的离散结构类别信息作为条件信息参与模型训练，使所述条件扩散生成模型学习所述制造约束设计空间内不同截面构型、结构尺寸参数与碰撞性能响应数据之间的对应关系；

6、获取目标碰撞性能条件，针对不同离散结构类别，将所述离散结构类别信息与目标碰撞性能条件输入训练后的条件扩散生成模型，通过逆向去噪过程分别生成不同截面构型对应的防撞梁结构尺寸候选方案；并根据所述制造约束设计空间对应的结构尺寸约束条件，对所述防撞梁结构尺寸候选方案进行参数修正；

7、将修正后的防撞梁结构尺寸候选方案及其对应的离散结构类别信息输入性能预测模型，获得各候选方案对应的碰撞性能预测结果，根据目标碰撞性能条件对候选方案进行筛选，并根据筛选后的碰撞性能预测结果进行方案评价，输出对应截面构型及结构尺寸参数组成的防撞梁结构设计方案。

8、本发明的第二个目的在于，提供一种考虑制造约束的防撞梁逆向智能设计系统，包括：

9、结构设计空间构建模块，用于根据不同吸能截面构型以及连续结构尺寸参数建立防撞梁结构设计空间；

10、制造约束模块，用于根据挤压加工要求形成制造约束设计空间；

11、数据构建模块，用于获得结构参数样本以及对应碰撞性能响应数据；

12、条件扩散生成模块，用于结合不同吸能截面构型对应的离散结构类别信息和目标碰撞性能条件，生成不同截面构型对应的防撞梁结构尺寸候选方案；

13、性能预测及筛选模块，用于根据候选方案对应的截面构型类别信息和结构尺寸参数预测对应碰撞性能，并根据目标碰撞性能条件及综合评价结果筛选并输出防撞梁结构设计方案。

14、本发明的有益效果是：

15、（1）本发明通过将不同类型的防撞梁吸能截面构型与结构尺寸参数共同纳入统一设计空间，使截面构型选择与尺寸参数优化能够协同进行，扩大了防撞梁结构方案的设计范围，避免了现有技术中固定截面形式后仅对局部尺寸参数进行调整导致的设计空间受限问题。

16、（2）本发明在防撞梁结构设计空间构建过程中引入挤压制造约束，将壁厚范围、尺寸范围、曲率要求以及离散加工步长等工艺条件融入结构参数筛选过程，使条件扩散生成网络基于满足实际加工要求的数据分布进行训练，减少了生成无法加工的结构参数方案，提高了逆向生成结果的工程可制造性。

17、（3）本发明通过构建以目标碰撞性能条件为输入的条件扩散生成网络，实现由碰撞性能指标向防撞梁结构参数方案的逆向映射，使设计人员无需针对不同性能目标反复调整结构参数并执行多轮仿真优化，即可获得满足目标要求的多个候选结构方案，提高了防撞梁结构设计效率。

18、（4）本发明通过同步设置扩散生成网络和前向性能预测网络，使生成网络用于结构方案生成，性能预测网络用于生成方案的快速性能评价，从而减少候选方案筛选过程中重复开展有限元碰撞仿真的次数，降低了结构优化过程中的计算成本。

19、（5）本发明通过融合基于性能数据分布的客观权重计算方法、基于工程需求的主观权重计算方法以及灰色关联度评价方法，对多个候选结构方案进行综合筛选，使最终输出方案能够兼顾结构质量、碰撞吸能能力、峰值碰撞力控制以及乘员舱侵入位移等多项性能要求，提高了防撞梁设计方案的综合性能和工程适用性。