近年来,我国政府出台了一系列汽车产业调整振兴规划,大力扶持自主品牌及新能源车的研发。其中,未来新能源汽车将是中国汽车市场最主要的增长点,其技术难点在于“动力电池续航里程”及“电池、电机带来的车重增加”问题。轻量化作为与上述两个问题紧密相关的研究领域,已成为决定自主品牌能否掌握核心技术的关键。在开发初期将轻量化与汽车部件其他性能指标(如高刚度、高耐撞性能等)协同研究,提出合理的结构优化策略,是提升产品性能及控制成本的有效途径。因此,针对结构的轻量化及抗撞性多目标优化设计便成为了汽车工业领域的重要基础研究课题之一。本文依托国家自然科学基金、吉林省科技发展重大专项,吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目的资助,以及课题组与中国第一汽车集团多年来的合作,基于差厚技术、仿生思想和多目标优化理论,以轻量化、高吸能性为目标,在满足某A级车的碰撞安全性能要求的前提下,提出了基于柔性轧制差厚技术和仿香蒲叶片、仿竹材设计的轿车吸能结构最优设计方案。主要工作包括:(1)在分析差厚板特点、制造工艺和基本力学特性的基础上,为研究基于差厚技术的吸能盒结构设计方案,提出了解决差厚板厚度渐变和材料力学性能渐变特性的仿真建模方法;推导了综合考虑厚度过渡区域分配、吸能盒的重量以及吸能性的基于代理模型的多目标优化问题数学模型;考虑汽车结构优化问题具备含有多个优化目标、结构规模大以及常采用代理模型方式缩减工作量等特点,提出一种改进多目标优化算法,并采用此算法获得了满足性能目标的差厚吸能盒结构最优设计参数,以替代原冲压等厚吸能盒,并实现了约7.4%的显著降重;试制了差厚吸能盒样件并进行准静态压溃试验,试制的样件褶皱充分、对称,且次序与厚度分布特征一致,变形模式稳定,验证了最优设计方案的可行性和有效性。研究成果可为差厚板技术在零部件轻量化设计领域的推广应用提供全新的解决方案。(2)考虑仪表板管梁的轻量化需求,结合差厚板轧制工艺要求,分别提出了五段式和三段式的差厚仪表板管梁结构设计方案,用于替代原等厚度管梁结构。通过仿真对比各方案在低阶模态频率、垂直颠簸、制动器支架侵入、乘员安全气囊爆破工况的性能参数,验证了采用此差厚板技术能够在保证仪表板管梁性能的前提下,实现大幅降重,降重幅度高达8%~13%。设计人员可根据所关注的性能指标或轻量化目标,选择适当的差厚板结构方案。(3)结合香蒲叶片以及竹材结构形式和载荷传递特征,提出了两种仿生保险杠总成设计方案(即B-CB&B和B-B),可全面衡量不同组件的结构变化带来的性能影响,从而掌握不同结构形式组合带来的性能变化趋势;分析了正面100%重叠刚性墙碰撞和单侧落锤冲击两种仿真工况,对比了两种仿生结构以及原结构各自的抗撞性能及承载变形特征,结果表明在轻量化的前提下,两种仿生结构设计方案不仅都可满足制造要求,且:B-CB&B方案的整体抗撞性能最优,重量降低了44.4%,SEA值提升了83%,变形模式合理、稳定;而B-B方案的抗撞性能也要优于原结构,降重幅度约7.4%,SEA值增加15%。(4)针对本文提出的B-CB&B仿生保险杠总成结构深入研究,对其进行非线性优化设计,以结构的峰值截面力和比吸能为评价指标,部件厚度作为设计变量,构造基于代理模型的优化问题数学模型,采用多目标布谷鸟搜索算法求解,获得圆整后的最优设计方案。相对原结构而言,最优结构的峰值截面力降低了57.5%,而比吸能提高了15%,表明优化效果显著。此外,通过分析最优结构的压溃变形历程,可知整体吸能性得以改善,实现了提升正面100%重叠低速刚性墙碰撞工况整体耐撞性能的目标。所提出的方法和理论可应用于涉及到碰撞非线性优化问题的工程实际领域中。