[發(fā)明專利]基于負泊松比結構填充的汽車吸能盒及其多目標優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106740620B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發(fā)明（設計）人: 潘威;王春燕;王巍巍;鄒松春;吳剛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B60R19/34
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張耀文

本發(fā)明公開了一種基于負泊松比結構填充的汽車吸能盒及其多目標優(yōu)化設計方法。以內凹六邊形負泊松比結構的負泊松比填充內芯3填充入設計有變形誘導槽的吸能盒2中，吸能盒連接在前保橫梁與前縱梁之間，利用負泊松比結構所特有的力學性能改善汽車碰撞時的受力變形狀態(tài)以增強吸能效果，從而提高乘員安全性及減少維修費用。同時，提出一種針對此種新結構的多目標優(yōu)化方案，經過吸能內芯、吸能盒外殼及周邊結構的參數化建模，在哈默斯雷實驗設計基礎上對本結構進行碰撞模擬并得到近似響應面模型，最終通過基于帝國競爭算法的多目標優(yōu)化得出最優(yōu)的設計參數組合，此流程可應用于實際工業(yè)生產的開發(fā)流程，提高可靠性并減少開發(fā)時間。

技術領域

本發(fā)明屬于汽車碰撞安全技術領域，尤其涉及一種基于負泊松比結構填充的汽車吸能盒及其多目標優(yōu)化設計。

背景技術

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，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汽車部件以減少維修費用，通常在汽車前保橫梁與前縱梁之間安裝吸能盒，當碰撞沖擊發(fā)生時，吸能盒開始壓潰變形，在短時間內吸收大部分的能量，從而實現對乘員安全的保護及降低維修費用。

吸能盒在碰撞中發(fā)揮作用的程度取決于其外殼結構及填充內芯的合理設計與選擇。

在現有的對吸能盒的設計優(yōu)化中，基本都是針對傳統(tǒng)材料以及外殼結構的改進。例如，中國專利CN104590177A針對吸能盒的外部結構進行了改進，并使用碳纖維材料等復合材料來實現輕量化。但因其采用各種復合材料，成本偏高，且其強度無法保證。

另外，在填充物方面，現代汽車多采用傳統(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，但其因為是正泊松比結構，在實際碰撞中無法將吸能盒全部功用發(fā)揮出來。

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

發(fā)明內容

針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種基于負泊松比結構填充的汽車吸能盒及其多目標優(yōu)化設計方法，將負泊松比結構應用到汽車吸能盒中，利用其優(yōu)異的力學性能，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；利用哈默斯雷實驗設計、響應面模型、帝國競爭算法，實現了全局最優(yōu)的較為精確的結果。應用此套流程，可為工業(yè)生產節(jié)省寶貴的開發(fā)時間。

本發(fā)明采用以下技術方案：一種基于負泊松比結構填充的汽車吸能盒，包含負泊松比吸能內芯、吸能盒外殼和前保橫梁；所述負泊松比吸能內芯的材料是鋁合金，結構組成是以內凹六邊形單胞三維擴展而來，具有負泊松比性能；所述吸能盒外殼為兩端開口內部中空的筒型結構，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；所述負泊松比吸能內芯與吸能盒外殼內表面粘接固定，負泊松比吸能內芯的長度與吸能盒外殼的長度相等，寬度和高度與相應方向的內表面凹槽最低點間的距離相等。

進一步的，所述吸能盒外殼表面有壓潰誘導槽，用以引導壓潰變形方向及位置；其中第一級壓潰誘導槽為上表面兩側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0.618處；第二級壓潰誘導槽為上表面的橢圓形凹槽，與吸能盒從上表面兩側的切槽至后端剩余部分的比例在黃金分割點0.618處。

進一步的，所述吸能盒外殼的材料為鋁合金，壁厚1.5-2.5mm。

進一步的，所述負泊松比吸能內芯是由高強度鋁合金AlSi12通過快速成型技術制成。

本發(fā)明還提供一種基于所述基于負泊松比結構填充的汽車吸能盒實現的多目標優(yōu)化方法，具體步驟如下：

步驟1：利用CATIA建立參數化內凹六邊形單胞并擴展為與吸能盒內壁尺寸相等的結構單元，在Hypermesh建立吸能盒外殼及前保橫梁的有限元模型；