一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架及設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架及設計方法，該汽車車架包括保險杠、大梁以及橫梁，其中橫梁與左右縱大梁相連接，并依次排布在前后保險杠與左右縱大梁所圍成的車架間；在前保險杠以及后保險杠的內(nèi)部安裝有負泊松比結構填充內(nèi)芯；在右縱大梁以及左縱大梁前后段的內(nèi)部分別安裝負泊松比結構填充內(nèi)芯；利用本發(fā)明的設計方法的汽車車架，在正面碰撞和后面碰撞中均可以利用負泊松比結構的特殊變形方式和能量吸收特性，從而提高汽車車架的能量吸收能力，更好的保護乘員和提高汽車的耐撞性。
【專利說明】
一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架及設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于汽車底盤系統(tǒng)領域，特別是一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架 及設計方法。
【背景技術】
[0002] 在汽車在發(fā)生碰撞過程中，汽車車架的前后部件最先與外界發(fā)生接觸，其中車架 的能量吸收能力很大程度上決定整車的耐撞能力，耐撞能力強對乘員及汽車關鍵零部件的 保護具有重要影響。同時，汽車車架是載重車輛的重要承載件，汽車行駛過程中需要承載車 輛自重、乘員和貨物的重量，同時還需要承受不同的力和力矩，車架性能的好壞對整車的平 順性、耐久性和振動噪聲等亦具有重要的影響。因此車架設計過程中在保證其他性能不變 的情況下同時盡可能的提高其能量吸收能力，這對汽車底盤系統(tǒng)領域的發(fā)展具有重要意 義。
[0003] 為保證汽車的剛度和耐久性等性能，傳統(tǒng)汽車車架具有剛度大的特質(zhì)，在碰撞過 程中不容易發(fā)生壓潰變形來吸收碰撞能量，因此大部分碰撞能量通過車架傳遞給其他零部 件和乘員，致使乘員在碰撞過程中容易受到嚴重的傷害。為使車架在碰撞過程中吸收更多 的碰撞能量，從而降低乘員在碰撞過程中受傷害，不同大小和位置的車架誘導槽應用到汽 車車架設計中。這種設計方式使車架在碰撞過程中按照設定的方式進行變形，既能在碰撞 過程中顯著提高車架的能量吸收能力又能保持較大的剛度，同時在汽車變形后較好的保護 乘員，使汽車耐撞性能得到了顯著提升，然而由于變形區(qū)域設計空間較小的限制，車架誘導 槽提高車架的能量吸收能力有限。為規(guī)避這一限制，泡沫鋁等蜂窩結構隨后被應用到車架 設計中來進一步提高車架的能量吸收性能，盡管車架在碰撞過程中的能量吸收能力得到了 一定提升，但是隨著汽車行駛速度的越來越高，泡沫鋁填充的汽車車架能量吸收提高有限， 仍不能滿足碰撞設計要求，需要進一步提高其吸力儲能防撞能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的車架吸力儲能防撞能力有限的不足，提出了一種吸 力儲能防撞負泊松比結構汽車車架及設計方法，從而提高了提高汽車車架的吸力儲能防撞 能力，更好的保護乘員和提高汽車的耐撞性。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術方案，一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架，包括保險 杠、大梁以及橫梁，其中橫梁與左右縱大梁相連接，并依次排布在前后保險杠與左右縱大梁 所圍成的車架間；所述的前保險杠內(nèi)部安裝的是前保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯，后保險 杠內(nèi)部安裝的是后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯;右縱大梁前段安裝的是右縱大梁前負泊 松比結構填充內(nèi)芯，右縱大梁后段安裝的是右縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯，左縱大梁 前段安裝的是左縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯，左縱大梁后段安裝的是左縱大梁后負泊 松比結構填充內(nèi)芯。
[0006] 進一步，所述的橫梁包括第一橫梁、第二橫梁、第三橫梁以及第四橫梁。
[0007] 本發(fā)明還公開了一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架的設計方法，步驟如 下，
[0008] 1)首先在Matlab軟件中建立左縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯、左縱大梁后負泊 松比結構填充內(nèi)芯、右縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯、右縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi) 芯、前保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯、后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯的參數(shù)化模型，通過 設計參數(shù)的更改可快速建立負泊松比結構填充內(nèi)芯的有限元分析模型；
[0009] 2)在SFE-C0NCEPT軟件中通過利用參數(shù)化模型知識庫建立左縱大梁、右縱大梁、前 保險杠、后保險杠、第一橫梁、第二橫梁、第三橫梁、第四橫梁的全參數(shù)化模型；
[0010] 3)再利用網(wǎng)格自動生成技術快速建立左縱大梁、右縱大梁、前保險杠、后保險杠、 第一橫梁、第二橫梁、第三橫梁、第四橫梁的有限元模型，并將左縱大梁前負泊松比結構填 充內(nèi)芯、左縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯、右縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯、右縱大梁 后負泊松比結構填充內(nèi)芯、前保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯、后保險杠負泊松比結構填充 內(nèi)芯的有限元模型與其進行組裝，從而建立吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架的有限元 模型，在車架縱梁和前后保險杠中使用負泊松比結構填充內(nèi)芯，使其和傳統(tǒng)汽車車架有效 結合從而設計出一種新的吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架，在汽車的正面碰撞或者后 面碰撞中均可以利用負泊松比結構的特殊變形方式和能量吸收特性，從而提高汽車車架的 能量吸收能力，更好的保護乘員和提高汽車的耐撞性。
[0011] 進一步，所述的步驟2)中的全參數(shù)化模型是利用參數(shù)化模型知識庫建立，其中參 數(shù)化模型知識庫包括參數(shù)化截面、參數(shù)化接頭，設計過程中綜合考慮大梁的總布置、設計參 數(shù)。
[0012] 本發(fā)明公開的一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架的設計方法，還包括如下 步驟，
[0013] 4)通過結合拉丁超立方采樣方法、二階多項式響應面模型方法和負泊松比結構汽 車車架的有限元模型建立負泊松比結構汽車車架的二階多項式響應面模型，其中，建立二 階多項式響應面模型所需的最少的試驗設計點的個數(shù)K由負泊松比結構汽車車架的設計變 量個數(shù)確定，其中K=(n+l)*(n+2)/2,式中，η為負泊松比結構汽車車架設計變量的數(shù)量，同 時采用拉丁超立方采樣方法以及二階多項式響應面模型來建立車架的近似模型使建立近 似模型所需試驗設計點更加均勻分布，從而提高近似模型的精度；
[0014] 5)之后對二階多項式響應面模型的精度進行評價;如果都滿足要求，則將近似模 型用于下一步的負泊松比結構汽車車架優(yōu)化設計；如果不能滿足要求，則返回上一步對近 似模型進行修正直至滿足精度要求，通過應用平方相關系數(shù)R2、相對最大絕對誤差RMAE和 相對平均絕對誤差RAAE三種不同的方法進行評價，公式如下，
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] 式中，yi是響應的測定值，兔是響應的預測值，歹是響應測定值的平均值，q是
[0019] 誤差分析中用于模型驗證的試驗點數(shù)；
[0020] 6)滿足精度要求后，利用多目標粒子群算法針對不同的設計目標進行優(yōu)化，獲得 多目標設計解集，同時利用負泊松比結構汽車車架的全參數(shù)化模型根據(jù)優(yōu)化解快速建立結 構的有限元模型，從而對優(yōu)化解集進行分析和驗證，這樣的方法可實現(xiàn)不同多目標汽車車 架的快速優(yōu)化設計和驗證，通過車架厚度和負泊松比結構形狀參數(shù)的優(yōu)化最大程度的提高 汽車車架的吸力儲能防撞能力。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明負泊松比結構汽車車架布置示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的設計流程圖。
[0023]其中1-前保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯，2-前保險杠，3-右縱大梁前負泊松比結 構填充內(nèi)芯，4-第一橫梁，5-右縱大梁，6-第二橫梁，7-第三橫梁，8-第四橫梁，9-右縱大梁 后負泊松比結構填充內(nèi)芯，10-后保險杠，11-后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯，12-左縱大 梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯，13-左縱大梁，14-左縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明公開的一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架，包括前、后 保險杠、左、右縱大梁以及橫梁，其中橫梁包括第一橫梁4、第二橫梁6、第三橫梁7以及第四 橫梁8,橫梁與左、右縱大梁相連接，并依次排布在前、后保險杠與左、右縱大梁所圍成的車 架間；在前保險杠2以及后保險杠10的內(nèi)部安裝有負泊松比結構填充內(nèi)芯;在右縱大梁5以 及左縱大梁13前后段的內(nèi)部分別安裝負泊松比結構填充內(nèi)芯;具體為前保險杠負泊松比結 構填充內(nèi)芯1安裝在前保險杠2內(nèi)，后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯11安裝在后保險杠10 內(nèi)；右縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯3安裝在右縱大梁5前段的內(nèi)部，右縱大梁后負泊松 比結構填充內(nèi)芯9分別安裝在右縱大梁5后段的內(nèi)部，左縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯14 安裝在左縱大梁13前段的內(nèi)部，左縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯12安裝在左縱大梁13后 段的內(nèi)部，其中負泊松比結構填充內(nèi)芯由具有軸對稱結構的負泊松比結構元胞組成，其元 胞由胞壁以及胞腔組成，胞壁分為上胞壁，中胞壁以及下胞壁。
[0026] 如圖2所示，本發(fā)明所述的一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架的設計方法， 具體步驟如下：
[0027] 1)設置負泊松比結構元胞的上胞壁長度為12.7mm，厚度為1.2mm，寬度為1.5mm;中 胞壁長度為14.5mm，厚度為1.2mm，寬度為1.5mm;下胞壁長度為15.6mm，厚度為1.2mm，寬度 為1.5mm;上胞壁與中胞壁間的角度設計為55° ;中胞壁與下胞壁間的角度設計為125°，然后 在Matlab軟件中建立左縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯14、左縱大梁后負泊松比結構填充 內(nèi)芯12、右縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯3、右縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯9、前保險 杠負泊松比結構填充內(nèi)芯1、后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯11的參數(shù)化模型；
[0028] 2)利用參數(shù)化模型知識庫，在SFE - CONCEPT軟件中建立左縱大梁13、右縱大梁5、前 保險杠2、后保險杠10、第一橫梁4、第二橫梁6、第三橫梁7、第四橫梁8的全參數(shù)化模型，
[0029] 3)再利用網(wǎng)格自動生成技術快速建立左縱大梁13、右縱大梁5、前保險杠2、后保險 杠10、第一橫梁4、第二橫梁6、第三橫梁7、第四橫梁8的有限元模型，并將左縱大梁前負泊松 比結構填充內(nèi)芯14、左縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯12、右縱大梁前負泊松比結構填充 內(nèi)芯3、右縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯9、前保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯1、后保險杠 負泊松比結構填充內(nèi)芯11的有限元模型與其進行組裝，從而建立吸力儲能防撞負泊松比結 構汽車車架的有限元模型。
[0030] 為降低模型的計算量且盡可能的提高模型的準確性，通過結合拉丁超立方采樣方 法、二階多項式響應面模型方法和負泊松比結構汽車車架的有限元模型建立負泊松比結構 汽車車架的二階多項式響應面模型，其中，建立二階多項式響應面模型所需的最少的試驗 設計點的個數(shù)K由負泊松比結構汽車車架的設計變量個數(shù)確定，其中K=(n+l)*(n+2)/2,式 中，η為負泊松比結構汽車車架設計變量的數(shù)量;其中，負泊松比結構汽車車架的設計變量 個數(shù)為12個，則建立二階多項式響應面模型所需的最少的試驗設計點的個數(shù)K可求得為91 個
[0031] 之后對二階多項式響應面模型的精度進行評價，通過應用平方相關系數(shù)R2、相對 最大絕對誤差RME和相對平均絕對誤差RAAE三種不同的方法進行評價，公式如下，
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]根據(jù)公式所得的結果為：平方相關系數(shù)R2為99.05 %，相對最大絕對誤差RMAE為 0.0512，相對平均絕對誤差RAAE為0.0237，都滿足要求，則將近似模型用于下一步的負泊松 比結構汽車車架優(yōu)化設計
[0036] 利用多目標粒子群算法針對不同的設計目標進行優(yōu)化，獲得多目標設計解集，同 時利用負泊松比結構汽車車架的全參數(shù)化模型根據(jù)優(yōu)化解快速建立結構的有限元模型，從 而對優(yōu)化解集進行分析和驗證，驗證結構有效。
[0037] 本發(fā)明的應用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本 技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些 改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架，包括前、后保險杠，左、右大梁以及橫梁， 其特征在于，橫梁與左、右縱大梁相連接，并依次排布在前、后保險杠與左、右縱大梁所圍成 的車架間；前保險杠(2)內(nèi)部安裝前保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯（1)，后保險杠（10)內(nèi)部 安裝后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯（11);右縱大梁(5)前段安裝右縱大梁前負泊松比結 構填充內(nèi)芯（3)，右縱大梁(5)后段安裝右縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯(9)，左縱大梁 (13)前段安裝左縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯（14)，左縱大梁（13)后段安裝左縱大梁后 負泊松比結構填充內(nèi)芯（12)。2. 根據(jù)權利要求1所述的吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架，其特征在于，橫梁包括 第一橫梁(4)、第二橫梁(6)、第三橫梁(7)以及第四橫梁(8)。3. -種吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架的設計方法，其特征在于，步驟如下： 1) 首先在Matlab軟件中建立左縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯（14)、左縱大梁后負泊 松比結構填充內(nèi)芯（12)、右縱大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯(3)、右縱大梁后負泊松比結構 填充內(nèi)芯(9)、前保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯（1)、后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯（11) 的參數(shù)化模型； 2) 在SFE-⑶NCEPT軟件中通過利用參數(shù)化模型知識庫建立左縱大梁（13)、右縱大梁 (5)、前保險杠 (2)、后保險杠（10)、第一橫梁(4)、第二橫梁(6)、第三橫梁(7)、第四橫梁(8) 的全參數(shù)化模型； 3) 再利用網(wǎng)格自動生成技術快速建立左縱大梁（13)、右縱大梁(5)、前保險杠(2)、后保 險杠（10)、第一橫梁(4)、第二橫梁(6)、第三橫梁(7)、第四橫梁(8)的有限元模型，并將左縱 大梁前負泊松比結構填充內(nèi)芯（14)、左縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯（12)、右縱大梁前 負泊松比結構填充內(nèi)芯(3)、右縱大梁后負泊松比結構填充內(nèi)芯(9)、前保險杠負泊松比結 構填充內(nèi)芯（1)、后保險杠負泊松比結構填充內(nèi)芯（11)的有限元模型與其進行組裝，從而建 立吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架的有限元模型。4. 根據(jù)權利要求3所述的吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架設計方法，其特征在于， 所述的步驟2)中的全參數(shù)化模型是利用參數(shù)化模型知識庫建立，其中參數(shù)化模型知識庫包 括參數(shù)化截面、參數(shù)化接頭，設計過程中綜合考慮大梁的總布置、設計參數(shù)。5. 根據(jù)權利要求3所述的吸力儲能防撞負泊松比結構汽車車架設計方法，其特征在于， 還包括如下步驟： 4) 通過結合拉丁超立方采樣方法、二階多項式響應面模型方法和負泊松比結構汽車車 架的有限元模型建立負泊松比結構汽車車架的二階多項式響應面模型，其中，建立二階多 項式響應面模型所需的最少的試驗設計點的個數(shù)K由負泊松比結構汽車車架的設計變量個 數(shù)確定，其中K = (n+1) *(n+2) /2，式中，n為負泊松比結構汽車車架設計變量的數(shù)量； 5) 之后對二階多項式響應面模型的精度進行評價;如果都滿足要求，則將近似模型用 于下一步的負泊松比結構汽車車架優(yōu)化設計；如果不能滿足要求，則返回上一步對近似模 型進行修正直至滿足精度要求，通過應用平方相關系數(shù)R 2、相對最大絕對誤差RMAE和相對 平均絕對誤差RAAE三種不同的方法進行評價，公式如下，式中，7:是響應的測定值，灸是響應的預測值，歹是響應測定值的平均值，q是誤差分析中 用于模型驗證的試驗點數(shù)； 6)滿足精度要求后，利用多目標粒子群算法針對不同的設計目標進行優(yōu)化，獲得多目 標設計解集，同時利用負泊松比結構汽車車架的全參數(shù)化模型根據(jù)優(yōu)化解快速建立結構的 有限元模型，從而對優(yōu)化解集進行分析和驗證。
【文檔編號】G06F17/50GK106055849SQ201610561198
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】周冠, 趙萬忠, 王春燕
【申請人】南京航空航天大學