基于遺傳算法的汽車碰撞安全優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U463.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0161-03

Optimal Designof AutomobileCollision SafetyBased onGeneticAlgorithi

YanYanjun，Zhang Yuyu （Shanxi Institute of Mechanical amp; Electrical Engineering，Changzhi O46O11，China）

【Abstract】With the continuous growth ofcar ownership，theproblem of occupant safetyprotection intrafic accidentshasatracted much atention.The traditionalcollsionsafety design ismainly through single-objective optimization，anditisdifculttoeffectivelycoordinatetheconflictbetweensafety，lightweightandcost.Genetic algorithmprovidesanew ideaformulti-objectivecolaborativeoptimization becauseof itsglobal searchabilityand paralel computing characteristics.Therefore，thispaper discusses thesafetydesign of automobilecolision，aimingat buildingamulti-objectiveoptimization modelbasedongeneticalgorithm，providinganewmethod forautomobile safety design withboth effciencyand accuracy，and promoting thecoordinateddevelopmentof itssafetyperformance and economic benefits.

【Key words】 genetic algorithm；automobile colision safety；multi-objective optimization；lightweight design

據(jù)統(tǒng)計，全球每年因交通事故造成的死亡人數(shù)超過130萬，其中側(cè)面碰撞與正面碰撞事故的占比很高，為降低事故傷亡率，中國新車評價規(guī)程C-NCAP在2021版中新增了柱碰測試場景。這些變化對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高挑戰(zhàn)。然而，傳統(tǒng)人工試錯法依賴工程師經(jīng)驗，開發(fā)周期長，且基于單目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)值仿真雖能減少試驗次數(shù)，但難以處理多參數(shù)耦合問題，嚴(yán)重制約優(yōu)化效率。遺傳算法作為仿生算法的代表，通過模擬生物進化中的選擇、交叉與變異機制，可在高維參數(shù)空間中快速定位全局最優(yōu)解。文章將探索建立基于遺傳算法的汽車碰撞安全優(yōu)化模型方法，揭示關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對碰撞性能的影響規(guī)律，形成可復(fù)用的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化技術(shù)體系，期望能夠推動智能算法與工程實踐的深度融合，助力汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)安全性能與綜合效益的全面提升。

1遺傳算法模型的構(gòu)建

1.1參數(shù)設(shè)置與編碼規(guī)則

遺傳算法是一種模擬自然選擇和遺傳學(xué)機制的優(yōu)化算法，它通過模擬生物進化過程，利用選擇、交叉和變異等操作從初始種群出發(fā)，逐步產(chǎn)生更適應(yīng)環(huán)境的個體，以尋找問題的最優(yōu)解。在遺傳算法中，參數(shù)決定了算法的運行效率，而編碼規(guī)則將實際問題轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的數(shù)值形式。遺傳算法的核心參數(shù)有四個：種群規(guī)模、迭代次數(shù)、交叉率、變異率。種群規(guī)模表示每一代中包含的個體數(shù)量，較大的種群能覆蓋更多可能的解，但計算時間也會增加；迭代次數(shù)是算法運行的輪數(shù)，根據(jù)問題復(fù)雜度調(diào)整；交叉率控制兩個父代個體交換基因的概率，一般設(shè)定為 60%～90% 。變異率則是基因發(fā)生隨機改變的概率，用于保持種群多樣性。編碼是將汽車設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)化為遺傳算法中“基因”的過程，車身結(jié)構(gòu)的厚度、材料強度等參數(shù)需要編碼為數(shù)字串。在汽車碰撞優(yōu)化中，可采用實數(shù)編碼。假設(shè)需要優(yōu)化5個車身參數(shù)，參數(shù)用實數(shù)表示。

1.2適應(yīng)度函數(shù)與進化機制

適應(yīng)度函數(shù)需量化汽車碰撞安全性能，可假設(shè)優(yōu)化目標(biāo)為減少乘客艙變形量 D 和提高能量吸收率 E 進行加權(quán)求和將其合并為單一適應(yīng)度值：

式中： w_1? w₂ -權(quán)重系數(shù)（均取0.5），表示兩個目標(biāo)的優(yōu)先級。變形量 D 越小越好；能量吸收率 E 越高越好。需加入約束條件一車身總質(zhì)量 M 不得超過限值 M_max ，若 Mgt;M_max ，F(xiàn)itness _：=0 ，超重的設(shè)計會被直接淘汰。

進化過程分為三步：一是選擇，可使用輪盤賭選擇法根據(jù)適應(yīng)度值篩選優(yōu)質(zhì)個體；二是交叉，隨機選取兩個父代個體，交換部分基因以生成新個體；三是變異，隨機改變某個體的部分基因值。通過反復(fù)迭代，算法逐漸淘汰低適應(yīng)度的設(shè)計，保留并改進優(yōu)質(zhì)方案，最終逼近最優(yōu)解。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗方法

試驗方法分為以下兩步。第1步是用計算機模擬汽車碰撞的過程。研究人員先用專業(yè)軟件把汽車的每個零部件拆分成無數(shù)個小方塊，并給這些方塊設(shè)定材料屬性，接著，設(shè)定碰撞場景一讓這輛“虛擬汽車”以 50km/h 的速度撞上一堵墻。電腦會根據(jù)物理定律計算碰撞時車身的變形、能量吸收情況、乘客受到的沖擊力。第2步是用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計。遺傳算法會隨機生成100＼～200種不同的車身設(shè)計方案，每種方案都會通過第1步的碰撞模擬得到評分。算法會優(yōu)先選中評分高的方案作為“父母”讓它們互相交換部分設(shè)計參數(shù)，同時程序還會隨機微調(diào)某些參數(shù)進行“變異”。經(jīng)過幾百輪這樣的篩選、交叉、變異后，剩下的方案會越來越安全，同時保持汽車車身輕便[2]。

2.2 指標(biāo)選取

在汽車碰撞安全優(yōu)化中，指標(biāo)包括車身結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件（前縱梁、車門防撞梁、B柱等），這些部件在碰撞中承擔(dān)著力學(xué)任務(wù)。其中，車門防撞梁在側(cè)碰中需承受特定載荷閾值，并且要避免單一部件的冗余設(shè)計，保持車身輕量化。此外還要平衡高成本材料的使用范圍，最終實現(xiàn)安全、輕量與成本的協(xié)同優(yōu)化3。多維度評價指標(biāo)見表1。

結(jié)合表1，車門防撞梁厚度設(shè)定 1.2mm 的下限是基于法規(guī)對側(cè)碰中車門抗凹陷能力的強制要求，而2.0mm 的上限則通過輕量化仿真確定；前縱梁吸能量設(shè)定為 ?18kJ ，低于該值正面沖擊能量將無法被充分吸收；車頂橫梁抗壓強度范圍 350～500MPa ，于350MPa 無法抵御翻滾沖擊，超過 500MPa 則會因材料成本驟增失去量產(chǎn)可行性。保險杠潰縮距離的約束為 80～120mm ，過短距離會導(dǎo)致碰撞初期峰值力過高，過長則擠壓了動力總成部件。B柱高強鋼比例設(shè)定為 50%～80% ，比例過低會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)屈曲，過高則會因材料成形難度增加制造成本。底盤連接螺栓數(shù)量設(shè)定為8＼～12個。

3 試驗結(jié)果

3.1遺傳算法性能評估

在汽車碰撞安全優(yōu)化中，遺傳算法以車身零部件的關(guān)鍵參數(shù)為基因，通過選擇、交叉和變異操作生成多代方案，最終輸出綜合評分最高的設(shè)計。本試驗中對算法設(shè)置了100次迭代上限，初始種群包含50組隨機參數(shù)組合，通過適應(yīng)度函數(shù)計算每組方案的安全評分、評分和成本評分，并動態(tài)調(diào)整權(quán)重以實現(xiàn)平衡。遺傳算法性能評估指標(biāo)見表2。

表2顯示，遺傳算法在30次迭代內(nèi)即可收斂到穩(wěn)定解，安全評分提升 22% 說明優(yōu)化后方案顯著增強了車輛抗撞能力，標(biāo)準(zhǔn)差僅 ±1.5% 表明算法具有高穩(wěn)定性，10次獨立試驗中安全評分波動極小，證明優(yōu)化結(jié)果可靠。

3.2汽車安全碰撞整體效能

從汽車車身結(jié)構(gòu)安全性看，車門防撞梁厚度增加至 1.8mm 后，側(cè)面碰撞試驗中車門變形量減少了37% ，將乘員艙侵入量控制在 120mm 以內(nèi)能夠避免車門擠壓造成的腿部損傷風(fēng)險。依據(jù)正面碰撞測試結(jié)果，發(fā)動機艙潰縮距離宜穩(wěn)定在 95mm 區(qū)間，這一區(qū)間既能充分吸收沖擊力，又不會侵占駕駛艙生存空間。車頂橫梁可采用抗壓強度 480MPa 的高強鋼，經(jīng)翻滾測試，車頂僅下陷 12mm ，顯著減小了車體下陷對乘員頭部的擠壓風(fēng)險。B柱高強鋼比例優(yōu)化至70% ，同時將配合底盤連接件數(shù)量增至10個，汽車偏置碰撞中車身變形對稱性得到了明顯改善。汽車保險杠潰縮距離調(diào)整為 105mm 后，在低速碰撞中減少了維修成本。綜合而言，優(yōu)化方案在滿足CNCAP五星安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下將車身增重控制在 4.2% （約28kg ），材料成本增幅為 12% ，達(dá)到了安全、輕量化與成本可控的工程平衡。所有試驗結(jié)果均通過計算機仿真與實車碰撞測試雙重驗證，證明遺傳算法在多目標(biāo)優(yōu)化中具備實用價值。

4結(jié)論

本文基于遺傳算法對汽車碰撞安全設(shè)計進行多目標(biāo)優(yōu)化，研究結(jié)果表明，遺傳算法能夠高效處理車身結(jié)構(gòu)參數(shù)間的復(fù)雜沖突，優(yōu)化后車身安全評分提升 22% ，和成本增幅分別控制在 4.2% 與 12% ，驗證了算法在平衡安全性與經(jīng)濟性方面的有效性。未來改進方向包括：引入實時碰撞仿真加速適應(yīng)度計算，將單次迭代時間從 45min 縮短至 10min ；同時，增加環(huán)境溫度、材料疲勞等現(xiàn)實變量，使優(yōu)化結(jié)果更貼近實際使用場景。這些改進將有助于進一步提升算法在汽車安全設(shè)計中的實用價值，為復(fù)雜工程問題提供高效解決方案。

注：本文為山西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2024年度規(guī)劃課題“數(shù)字化背景下基于專業(yè)導(dǎo)向的線性代數(shù)課程資源建設(shè)研究”（項目編號：GH-240527）的研究成果。

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（編輯楊凱麟）