[發明專利]一種兩階段汽車多胞吸能結構拓撲優化設計方法

在審

• 申請號: 202310660675.8
• 申請日: 2023-06-02
• 公開（公告）號: CN116644637A
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 劉唐英;湯易;鞠傳明;王天;李佳琪
• 申請（專利權）人: 煙臺大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F30/17;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 北京京華知聯專利代理事務所(普通合伙) 11991
• 代理人: 耿浩

本發明屬于汽車用吸能結構技術領域，具體涉及一種兩階段汽車多胞吸能結構拓撲優化設計方法，該方法可以根據給定的沖擊載荷工況設計薄壁吸能結構的構型和厚度。針對給定的沖擊載荷工況，以汽車多胞吸能結構的吸能值為設計目標，在限定汽車多胞吸能結構總質量和最大位移的約束條件下，第一階段以汽車多胞吸能結構隔板的有無為設計變量，通過基于整數編碼遺傳算法的離散拓撲構型優化方法獲得耐撞性能最優的多胞構型。第二階段在第一階段優化結果的前提下，以汽車多胞吸能結構的單元厚度為設計變量，采用基于單元能量的拓撲優化方法優化汽車多胞吸能結構的單元厚度，最終希望得到一個高效的汽車多胞吸能結構。

技術領域

本發明屬于汽車用吸能結構技術領域，具體涉及一種兩階段汽車多胞吸能結構拓撲優化設計方法。

背景技術

汽車車身結構基本是由薄壁構件組成，當汽車發生碰撞時，基本都是利用薄壁吸能結構的塑性變形耗散大部分碰撞能量，同時將碰撞載荷傳遞到車身其他結構上，以盡量減輕碰撞對乘員的傷害。研究表明，當汽車以48km/h速度發生正碰時，50％-70％的碰撞能量是由薄壁吸能結構(薄壁吸能筒、薄壁前縱梁等)所吸收耗散的。薄壁吸能結構的變形模式和吸能特性直接決定了車體在碰撞時所產生的加速度和沖擊響應，這也將直接影響乘員的安全性。已有研究表明，橫截面構型是影響薄壁結構碰撞性能的重要因素之一，相比于單胞形式的吸能結構，多胞薄壁結構具有碰撞過程更加平穩、比吸能更大等突出特點，金屬多胞結構已經被驗證為是一種高效的吸能結構，開展多胞結構拓撲構型的研究可以進一步提升吸能結構的輕量化設計空間，具有巨大的應用潛力。

但是目前對薄壁多胞結構的研究存在以下局限性：第一，現有研究表明截面拓撲構型對薄壁多胞結構的吸能特性影響顯著，但目前對薄壁多胞結構的研究主要集中于特定的拓撲幾何構型的多胞薄壁結構，對揭示截面拓撲構型演化對薄壁多胞結構耐撞性的影響分析則較少；第二，目前的薄壁吸能結構設計基于等厚均勻設計理念，而薄壁吸能結構在實際變形過程中，其各部位的承載是非均勻的，若仍采用均勻設計理念，結構各部位未充分挖掘材料的承載能力和材料利用率，也未考慮材料分布對薄壁結構耐撞性影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種兩階段汽車多胞吸能結構拓撲優化設計方法，該方法能高效快捷的進行吸能結構拓撲構型設計，該方法第一步通過離散拓撲優化算法進行優化截面構型設計獲得最優的多胞構型，第二步基于單元能量的拓撲優化方法進行變厚度設計，以提高薄壁吸能結構的吸能特性。

為實現上述目的，本發明是采用如下技術方案實現的：

一種兩階段汽車多胞吸能結構拓撲優化設計方法，包括以下步驟：

步驟1、確定要優化的汽車多胞吸能結構的尺寸參數與力學參數：所述的力學參數是根據汽車多胞吸能結構設計要求確定的加載方式、載荷大小、材料參數與數值模擬初始條件與邊界條件；

步驟2、結合所述的汽車多胞吸能結構的尺寸參數與力學參數，以汽車多胞吸能結構多胞隔板為設計單元建立有限元模型；

步驟3、針對建立的有限元模型，構建第一階段汽車多胞吸能結構構型設計數學模型；

步驟4、采用基于整數編碼遺傳算法的離散拓撲構型優化方法對汽車多胞吸能結構進行構型優化，獲得最優的多胞構型；

步驟5、基于獲得的最優的多胞構型，以有限元模型網格單元為設計變量，進行有限元模型調整；

步驟6、針對調整后的有限元模型，構建第二階段汽車多胞吸能結構變厚度優化問題數學模型；

步驟7、采用基于單元能量的拓撲優化設計對調整后的有限元模型進行變厚度優化設計，確定最優的厚度設計方案。

進一步的，步驟3中的數學模型如下：