一种仿生负泊松比结构汽车防护系统及设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶以及下车顶，所述的上车顶、下车顶之间通过横梁焊接在一起，上车顶、下车顶的内部安装仿生负泊松比结构填充内芯，其中的车顶内部安装的仿生负泊松比结构填充内芯利用负泊松比结构的特殊能量特性有效吸收汽车在翻滚碰撞中的碰撞能量并提高汽车车顶的抗压强度，显著加强对成员的保护和提升汽车的被动安全性；本发明专利技术还公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，通过该方法可根据不同的设计目标和要求对仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计参数进行有效设计，在有效控制成本和重量的前提下进一步快速有效提升防护系统的能量吸收性能和抗压强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于汽车车身安全领域，特别是一种仿生负泊松比结构汽车防护系统及设计方法。
技术介绍
众所周知，汽车在行驶过程中由于机械故障、轮胎爆胎、路基塌陷、高速急转弯、碰撞和坑洼路面等原因容易发生翻滚事故。当汽车发生翻滚时，尤其是汽车车顶部分，在受到巨大载荷冲击作用下，很容易因为压溃产生较大的变形，车顶在变形时通常是往车体内部凹陷，此时致使车内乘员的生存空间显著减少。传统汽车车顶通常结构抗压强度不足，在汽车翻滚事故中发生较大的变形，使乘员舱受到严重挤压，容易对乘员造成较大伤害；严重时甚至出现外面物体侵入汽车乘员舱，乘员在受到严重挤压的同时还会受到外面物体的冲击，使得乘员在交通事故受到损伤的风险大大的增加。为提高传统汽车车顶的抗压强度，主要通过以下几种方法：第一是增加汽车车顶的材料厚度，第二是增加汽车车顶横梁，第三是更换汽车的材料类型，第四是在汽车车顶设计合适的加强筋。首先，增加汽车车顶的材料厚度和增加汽车车顶横梁能有效提升车顶的抗压强度，但是在满足汽车翻滚要求的车顶设计的同时，汽车重量显著增加，尤其是汽车顶部的重量增加，导致汽车重量中心上移，降低车辆行驶稳定性甚至增加侧翻风险；于此同时，在增加车顶材料以及横梁使得生产成本显著增加。其次，更换汽车的材料类型能满足在重量不增加的前提下，但是应用能满足要求的新型材料虽然在一定程度上提高车顶抗压强度，但是它不能很好的吸收碰撞能量，如果单纯的通过应用新型材料来提高抗压强度，将显著增加汽车的成产成本，对汽车的市场竞争力提出严重挑战。最后，通过在汽车车顶设计合适的加强筋，这样的设计在重量和成本满足工业生产要求而又能有效提高车顶抗压强度的前提下，其提升的区间有限，且不能很好的满足翻滚碰撞对于汽车车顶的要求。因此，在有效控制汽车车顶重量和成本的前提下，设计一种抗压强度大、显著加强对乘员保护的汽车防护系统一直是本领域厄待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的汽车车顶在汽车翻滚碰撞中抗压强度低，容易发生压溃变形导致乘员容易受到伤害的不足，提出一种仿生负泊松比结构汽车防护系统及设计方法，提高了汽车车顶的抗压强度，显著加强对乘员的保护。本专利技术公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶以及下车顶，所述的上车顶、下车顶之间通过横梁焊接在一起，上车顶、下车顶的内部安装仿生负泊松比结构填充内芯，其中仿生负泊松比结构填充内芯与上车顶下车顶相连接，其中的车顶内部安装的仿生负泊松比结构填充内芯利用负泊松比结构的特殊能量特性有效吸收汽车在翻滚碰撞中的碰撞能量并提高汽车车顶的抗压强度，显著加强对成员的保护和提升汽车的被动安全性。进一步，所述的上车顶、下车顶与横梁的连接方式为焊接。进一步，仿生负泊松比结构填充内芯通过胶粘与上车顶以及下车顶相连接。进一步，所述的仿生负泊松比结构填充内芯由仿生负泊松比结构元胞规则地顺序排列并相互连接。进一步，所述的仿生负泊松比结构元胞是由胞壁围成的纵向轴对称结构，其截面呈规则的六边形。进一步，所述的横梁包括前部横梁、中部横梁、后部横梁，所述的横梁将上、下车顶内部的仿生负泊松比结构填充内芯隔断为四部分。本专利技术还公开了一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，具体步骤如下，1)对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行拓扑优化，确定前部横梁、中部横梁、后部横梁在仿生负泊松比结构汽车防护系统的基本位置，从而准确定位系统中较为薄弱和需要增强的部位；2)在SFE-CONCEPT软件建立车顶和横梁的全参数化模型，在SFE-CONCEPT软件中应用参数化模型知识库建立上车顶、下车顶、前部横梁、中部横梁和后部横梁的全参数化模型，在汽车防护系统的全参数化模型包括参数化截面、参数化接头，当更改设计参数时，可通过对截面、移动作用点、拉伸或者弯曲基础线来快速实现零件拓扑和形状变化模型的建立，这样可以提高零件的建模速度和精度；3)在MATLAB软件建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型，基于MATLAB软件和仿生负泊松比结构参数变形关系建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型；4)将车顶和横梁的全参数化模型与仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型进行结合，从而建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的参数化模型，建立的参数化模型满足精度要求进行下一步，若不满足则重新建立，直至满足要求；在设计参数发生改变或进行试验设计时利用参数化模型可快速建立仿生负泊松比结构填充内芯的有限元分析模型，显著提升模型建立及性能分析的效率。本专利技术公开的一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，还包括如下步骤，5)采用拉丁超立方试验设计方法来进行样本点的选择，建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型，采用近似模型代替有限元模型进行计算，可以减少优化过程中频繁的调用仿生负泊松比结构汽车防护系统的有限元模型进行分析从而造成计算量过大和优化效率，同时采用拉丁超立方试验设计方法使得建立的近似模型精度更高；6)验证仿生负泊松比结构汽车防护系统的精度；利用Kriging响应面模型技术和拉丁超立方试验设计方法进行结合所建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型，应用平方相关系数方法进行对近似模型的精度评判验证，满足要求进行下一步，若不满足，则返回步骤5)，直至模型满足要求；7)应用多目标粒子群算法和蒙特卡洛模拟技术对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行6σ稳健性多目标优化，应用多目标粒子群算法对建立的仿生负泊松比结构汽车防护系统近似模型寻找多目标优化设计解，应用多目标优化满意度评价函数对优化设计解进行评价，满意度评价函数S的值越小则代表优化解越好，其公式为， S = Σ q = 1 t m q - m q , min m q , m a x - m q , min ]]>式中，t为仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化中的目标数，mq,max，mq,min则分别为多目标优化设计解集中第q个目标函数的最大值和最小值；8)对仿生负泊松比结构汽车防护系统多目标优化最优解进行6σ质量分析，如果优化解满足6σ质量水平，则进行下一步验证；如果优化解不满足6σ质量水平，则返回步骤7)进行6σ稳健性多目标优化，直至优化结果满足设计要求；9)利用参数化模型对优化结果进行验证；基于获得的稳健性多目标优化解，利用仿生负泊松比结构汽车防护系统参数化模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶(1)、下车顶(2)以及横梁，其特征在于，所述的上车顶(1)下车顶(2)之间通过横梁连接在一起，上车顶(1)以及下车顶(2)之间填充有仿生负泊松比结构填充内芯(5)。

【技术特征摘要】
1.一种仿生负泊松比结构汽车防护系统，包括上车顶(1)、下车顶(2)以及横梁，其特征在于，所述的上车顶(1)下车顶(2)之间通过横梁连接在一起，上车顶(1)以及下车顶(2)之间填充有仿生负泊松比结构填充内芯(5)。2.根据权利要求1所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的上车顶(1)下车顶(2)与横梁的连接方式为焊接。3.根据权利要求1所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，仿生负泊松比结构填充内芯(5)通过胶粘与上车顶(1)以及下车顶(2)相连接。4.根据权利要求1所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构填充内芯(5)由仿生负泊松比结构元胞(8)规则地顺序排列并相互连接。5.根据权利要求4所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构元胞(8)是由胞壁(7)围成的纵向轴对称结构，其截面呈规则的六边形。6.根据权利要求1或2所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统，其特征在于，所述的横梁包括前部横梁(3)、中部横梁(4)、后部横梁(6)，所述的横梁将上、下车顶内部的仿生负泊松比结构填充内芯(5)隔断为四部分。7.一种仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，其特征在于，具体步骤如下，1)对仿生负泊松比结构汽车防护系统进行拓扑优化，确定前部横梁(3)、中部横梁(4)、后部横梁(6)在仿生负泊松比结构汽车防护系统的基本位置；2)在SFE-CONCEPT软件建立车顶和横梁的全参数化模型，在SFE-CONCEPT软件中应用参数化模型知识库建立上车顶(1)、下车顶(2)、前部横梁(3)、中部横梁(4)和后部横梁(6)的全参数化模型；3)在MATLAB软件建立仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型，基于MATLAB软件和仿生负泊松比结构参数变形关系建立仿生负泊松比结构填充内芯(5)的参数化模型；4)将车顶和横梁的全参数化模型与仿生负泊松比结构填充内芯的参数化模型进行结合，从而建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的参数化模型，建立的参数化模型满足精度要求进行下一步，若不满足则重新建立，直至满足要求。8.根据权利要求7所述的仿生负泊松比结构汽车防护系统的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤，5)采用拉丁超立方试验设计方法来进行样本点的选择，建立仿生负泊松比结构汽车防护系统的近似模型；6...

【专利技术属性】
技术研发人员：周冠，赵万忠，王春燕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32