本發(fā)明屬于汽車碰撞安全技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充的汽車吸能盒。

背景技術(shù)：

在大部分的交通事故中，都要涉及汽車前部的碰撞。汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，為緩和沖擊以減少乘員傷害，以及減少前縱梁變形程度從而保護(hù)汽車部件以減少維修費(fèi)用，通常在汽車前保橫梁與前縱梁之間安裝吸能盒，當(dāng)碰撞沖擊發(fā)生時(shí)，吸能盒開始?jí)簼⒆冃?，在短時(shí)間內(nèi)吸收大部分的能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)乘員安全的保護(hù)及降低維修費(fèi)用。

吸能盒在碰撞中發(fā)揮作用的程度取決于其外殼結(jié)構(gòu)及填充內(nèi)芯的合理設(shè)計(jì)與選擇。

在現(xiàn)有的對(duì)吸能盒的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，基本都是針對(duì)傳統(tǒng)材料以及外殼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。例如，中國專利CN104590177A針對(duì)吸能盒的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并使用碳纖維材料等復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)輕量化。但因其采用各種復(fù)合材料，成本偏高，且其強(qiáng)度無法保證。

另外，在填充物方面，現(xiàn)代汽車多采用傳統(tǒng)材料作為汽車吸能盒的填充材料，這類材料的泊松比多為正。例如，中國專利CN104590178A采用泡沫鋁合金填充物，但其因?yàn)槭钦此杀冉Y(jié)構(gòu)，在實(shí)際碰撞中無法將吸能盒全部功用發(fā)揮出來。

綜上，現(xiàn)有的汽車吸能盒設(shè)計(jì)都各有不足之處，吸能效果也不夠理想，而且在針對(duì)吸能盒的碰撞仿真中還未有完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充的汽車吸能盒，將負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)應(yīng)用到汽車吸能盒中，利用其優(yōu)異的力學(xué)性能，使原有吸能盒的吸能效果得到大幅度提升，既提高了駕駛安全性，又節(jié)省了維修成本。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充的汽車吸能盒，包含負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯、吸能盒外殼和前保橫梁；所述負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯的材料是鋁合金，結(jié)構(gòu)組成是以內(nèi)凹六邊形單胞三維擴(kuò)展而來，具有負(fù)泊松比性能；所述吸能盒外殼為兩端開口內(nèi)部中空的筒型結(jié)構(gòu)，截面為多邊形；前端焊接在前保橫梁上；后端有法蘭，用螺栓與前縱梁固定連接；所述負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯與吸能盒外殼內(nèi)表面粘接固定，負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯的長度與吸能盒外殼的長度相等，寬度和高度與相應(yīng)方向的內(nèi)表面凹槽最低點(diǎn)間的距離相等。

進(jìn)一步的，所述吸能盒外殼表面有壓潰誘導(dǎo)槽，用以引導(dǎo)壓潰變形方向及位置；其中第一級(jí)壓潰誘導(dǎo)槽為上表面兩側(cè)的切槽和在后表面的橢圓形凹槽，與吸能盒總長的比例均在黃金分割點(diǎn)0.618處；第二級(jí)壓潰誘導(dǎo)槽為上表面的橢圓形凹槽，與吸能盒從上表面兩側(cè)的切槽至后端剩余部分的比例在黃金分割點(diǎn)0.618處。

進(jìn)一步的，所述吸能盒外殼的材料為鋁合金，壁厚1.5-2.5mm。

進(jìn)一步的，所述負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯是由高強(qiáng)度鋁合金AlSi12通過快速成型技術(shù)制成。

本發(fā)明采用以上方案與現(xiàn)有方案相比，具有以下效果：

1、本發(fā)明將負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)應(yīng)用到汽車吸能盒中，利用其優(yōu)異的力學(xué)性能，使原有吸能盒的吸能效果得到大幅度提升，既提高了駕駛安全性，又節(jié)省了維修成本；

2、本實(shí)施例利用負(fù)泊松比材料良好的力學(xué)性能，將其應(yīng)用在吸能盒中，仿真結(jié)果表明，比原有吸能盒結(jié)構(gòu)的吸能時(shí)間減少，碰撞峰值力下降，壓潰位移也有所減少，給碰撞后的逃生提供了更大的空間。

3、本發(fā)明應(yīng)用鋁合金材料構(gòu)建組件，在保證強(qiáng)度的條件下，實(shí)現(xiàn)了輕量化，節(jié)省燃油；同時(shí)又因?yàn)殇X合金良好的可重復(fù)使用性，節(jié)約了社會(huì)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的吸能盒外殼及內(nèi)芯組合示意圖；

圖3是本發(fā)明的負(fù)泊松比內(nèi)芯單胞及拓展示意圖；

圖4、圖5、圖6是本發(fā)明的一例吸能盒外殼三視圖；

圖7是基于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法流程圖。

圖中，1-前保橫梁，2-吸能盒外殼，3-負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

實(shí)施例一：基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充的汽車吸能盒

如圖1和圖2所示，基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充的汽車吸能盒，包括前保橫梁1，吸能盒外殼2、負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯3。

其中，所述吸能盒外殼2前端焊接在前保橫梁1上；后端有法蘭，通過固定螺栓固定連接在前縱梁上。

如圖3，所述負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯3是以內(nèi)凹六邊形為單胞基體擴(kuò)展而來的三維結(jié)構(gòu)，利用高強(qiáng)度鋁合金通過快速成型技術(shù)制成，通過粘接的方式與吸能盒外殼2的內(nèi)表面連接，填充在其內(nèi)的空腔里。負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯3的長度與吸能盒外殼2的長度相等，寬度和高度與相應(yīng)方向的內(nèi)表面凹槽最低點(diǎn)間的距離相等。

如圖4，所述吸能盒外殼2表面有壓潰誘導(dǎo)槽，吸能盒的變形會(huì)根據(jù)誘導(dǎo)槽的誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)吸能盒變形位置及方向的可控，從而達(dá)到更佳的吸能效果。用以引導(dǎo)壓潰變形方向及位置；其中第一級(jí)壓潰槽為上表面兩側(cè)的切槽和在后表面的橢圓形凹槽，L₂/L₃＝0.618；第二級(jí)壓潰槽為上表面的橢圓形凹槽，(L₂-L₁)/L₂＝0.618；L₁是第二道壓潰槽與吸能盒底端的距離，L₂是第一道壓潰槽與吸能盒底端的距離，L₃是吸能盒總長。

本實(shí)施例利用負(fù)泊松比材料良好的力學(xué)性能，將其應(yīng)用在吸能盒中，仿真結(jié)果表明，比原有吸能盒結(jié)構(gòu)的吸能時(shí)間減少，碰撞峰值力下降，壓潰位移也有所減少，給碰撞后的逃生提供了更大的空間。

實(shí)施例二：基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充的汽車吸能盒的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

本實(shí)施例用于設(shè)計(jì)負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯的尺寸參數(shù)。

本實(shí)施例中，建模軟件采用CATIA和Hypermesh，仿真軟件為LS-dyna求解器，優(yōu)化軟件為Isight和Matlab。

圖5為基于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法流程圖，具體步驟如下：

步驟1：利用CATIA建立參數(shù)化內(nèi)凹六邊形單胞并擴(kuò)展為合適的結(jié)構(gòu)單元。在Hypermesh建立吸能盒外殼及前保橫梁的有限元模型。

步驟2：以內(nèi)凹六邊形的單胞結(jié)構(gòu)內(nèi)夾角θ、單胞底邊長度a、胞斜邊長度b、胞壁厚度t作為設(shè)計(jì)變量，并初步確定這四個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍。

55°≤θ≤75°；12≤a≤16；4≤b≤6；0.6≤t≤1.2

并以此取值范圍作為下一步優(yōu)化的約束條件。

基于各自的取值范圍，利用哈默斯雷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法生成100組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

步驟3：對(duì)所生成的100組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別利用參數(shù)化模型形成100個(gè)吸能盒填充內(nèi)芯，導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行有限元處理并拓展填充到吸能盒外殼中，增加約束，并與前保橫梁形成組件。

步驟4：基于LS-dyna建立100％正碰和40％正碰的碰撞模型并進(jìn)行碰撞仿真，得到4種優(yōu)化目標(biāo)變量的100組仿真結(jié)果。以100％正碰的壓潰位移S₁和平均碰撞力F₁、40％偏碰的壓潰位移S₂和平均碰撞力F₂作為優(yōu)化目標(biāo)變量，以碰撞力峰值F_m為約束條件，根據(jù)仿真結(jié)果形成四個(gè)目標(biāo)變量及一個(gè)約束目標(biāo)變量與四個(gè)設(shè)計(jì)變量間的相關(guān)數(shù)據(jù)表。利用isight里的響應(yīng)面模塊生成形如

的5個(gè)二次響應(yīng)面模型：

其中f為四個(gè)目標(biāo)變量S₁、F₁、S₂、F₂；β₀為常數(shù)項(xiàng)待定系數(shù)；β_i為第i個(gè)一次項(xiàng)待定系數(shù)；β_ij為第ij個(gè)二次項(xiàng)待定系數(shù)；n為因素個(gè)數(shù),此處為4；x_i、x_j(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)為尺寸參數(shù)即設(shè)計(jì)變量θ、a、b、t。

步驟5：根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化思想，針對(duì)以上四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)：

其中約束函數(shù)g為碰撞力峰值滿足碰撞法規(guī)要求的160Mpa的上限，四個(gè)設(shè)計(jì)變量應(yīng)在各自的取值范圍內(nèi)。

其中多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)采用權(quán)重優(yōu)化函數(shù)：

式中S₀為壓潰位移的歸一化底數(shù)，F(xiàn)₀為平均碰撞力的歸一化底數(shù)，取值為對(duì)標(biāo)吸能盒的壓潰位移和平均碰撞力。

根據(jù)道路正面碰撞事故的兩類碰撞的概率比(100％碰撞/40％碰撞＝7/5)，以及碰撞中對(duì)平均碰撞力和壓潰位移的不同要求(此處權(quán)重設(shè)置為7/3)，設(shè)置綜合權(quán)重系數(shù)為

ω₁＝0.18，ω₂＝0.40，ω₃＝0.13，ω₄＝0.29。

步驟6：利用帝國競爭算法對(duì)次方案的多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化：

(1)初始帝國建立：

初始設(shè)置有100個(gè)國家，即形成100個(gè)以四維設(shè)計(jì)變量為基礎(chǔ)的數(shù)組：

Country＝{X}＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T

式中x_i(i＝1，2，3，4)為尺寸參數(shù)，即設(shè)計(jì)變量θ、a、b、t。

每個(gè)國家的成本為Cost＝f(Country)＝f(x₁,x₂,x₃,x₄)，即優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)F。成本越小，即F越小，國家競爭力越強(qiáng)，對(duì)初始國家進(jìn)行排序后，成本較低的前幾個(gè)國家成為帝國，其余成為殖民地。第i個(gè)帝國的規(guī)范化競爭力為

(2)同化：

每個(gè)殖民地通過一個(gè)均勻隨機(jī)數(shù)d來控制殖民地向帝國移動(dòng)的距離。均勻分布的隨機(jī)數(shù)。在此d是殖民地與帝國之間的距離。設(shè)定每塊殖民地移動(dòng)的距離s服從均勻分布s～U(0，α×d_d)，α＞1，帝國周圍的殖民地逐漸向帝國靠近。

(3)競爭：

第i個(gè)帝國的總規(guī)范化成本為

其中T.M_n為第i個(gè)帝國的總成本，為其帝國自有成本及占有殖民地的成本的加權(quán)疊加。

在競爭中，每個(gè)帝國都有可能占據(jù)最弱帝國中的最弱殖民地。從總權(quán)利最弱的帝國中挑選出一個(gè)弱小的殖民地，按照一定概率分配給其他帝國。

(4)合并收斂。

經(jīng)過帝國之間的相互競爭之后，權(quán)利較小的帝國所擁有的殖民地會(huì)被權(quán)利比其強(qiáng)大的帝國侵占，當(dāng)殖民地全部被占領(lǐng)后則該帝國就會(huì)自動(dòng)滅亡。迭代N次后，當(dāng)僅剩一個(gè)帝國統(tǒng)領(lǐng)所有殖民地時(shí)，算法結(jié)束。

最終得到優(yōu)化后的四個(gè)設(shè)計(jì)變量參數(shù)的最優(yōu)解，即為此負(fù)泊松比吸能內(nèi)芯的尺寸參數(shù)。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。