一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及其优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及其优化方法，汽车缓冲吸能A柱包含左侧A柱和右侧A柱；左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。本发明专利技术还给出了该汽车缓冲吸能A柱的优化方法，优化后，可以兼顾汽车‑行人碰撞和和汽车正面碰撞两个工况，在降低行人头部的伤害的前提下，保证了汽车耐撞性和轻量化。

A vehicle cushioning energy absorbing A column based on pedestrian protection and its optimization method

The invention discloses an energy absorbing A column and its optimization method based on the pedestrian car cushion, car cushion energy absorption column A A column contains left and right A left and right column column; A A column on the vehicle center line is symmetrical, contains an inner shell and an outer shell and an inner core; the left column, A right A column inner shell, the outer shell and the inner core are made of carbon fiber material, and the inner core is composed of three-dimensional concave hexagonal cell array of negative Poisson's ratio and. The present invention also discloses the automobile energy absorption optimization method, A column after optimization, can take into account the car pedestrian collision and crash of two conditions, in the premise to reduce the pedestrian's head injury, ensure the vehicle crashworthiness and light weight.

【技术实现步骤摘要】
一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及其优化方法
本专利技术涉及汽车被动安全领域，尤其涉及一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及其优化方法。
技术介绍
一方面，A柱是汽车框架的重要组成部分，在设计汽车A柱时，必须考虑其耐撞性，当汽车发生正面碰撞时，良好的耐撞性A柱，对车内乘员的生命安全起着关键作用。目前主要是通过改变A柱的结构形状和采用高强度钢来提高A柱的耐撞性另一方面，在行人头部保护相关法规中，明确的指出汽车A柱在行人头部与汽车碰撞发生的区域内。目前对于考虑行人保护的汽车A柱的研究仅仅是通过非刚性材料来提高行人头部的保护，但会降低汽车A柱的耐撞性。所以，在设计汽车A柱时，如何协同汽车A柱的耐撞性和对行人头部保护的意义显得十分重大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有汽车A柱设计过程中不能有效的协调好汽车A柱的耐撞性和行人头部保护的缺点，提出了一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及优化方法，在保证耐撞性的基础上，对行人头部进行保护。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，包含左侧A柱和右侧A柱；所述左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。作为本专利技术一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱进一步的优化方案，所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳的壁厚相同，且左侧A柱、右侧A柱通过胶接技术与汽车的相应部位连接。本专利技术还公开了一种该基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱的优化方法，具体步骤如下：步骤1)，采用拉丁超立方实验优化方法，选取N组设计参数，每组设计参数包括了内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数，N为大于1的自然数、为预先设定的阈值；步骤2)，根据步骤1)中的N组参数，在CATIA中，建立N组汽车缓冲吸能A柱几何结构；步骤3)，在HYPERMESH中，分别建立50组正面碰撞有限元模型和50组行人头部碰撞A柱有限元模型；步骤4)，通过LS-DYNA计算,得到N组正面碰撞结果：汽车缓冲吸能A柱的最大位移和N组HIC值，所述HIC值为行人头部伤害指数；步骤5)，在ISIGHT中，将总系统为设为汽车缓冲吸能A柱轻量化，两个子系统分别设为A柱耐撞性和行人保护；对汽车缓冲吸能A柱进行多学科协同优化，最终确定满足质量最轻的总目标和步骤1)中所述的各项设计参数值；步骤6)，利用代理模型方法，建立汽车A柱耐撞性子系统和行人保护子系统各自的Kriging代理模型，借助于相对误差绝对值Average、最大相对绝对值误差Max及相关系数RG2三个指标对Kriging代理模型精度进行判断，如果Average和Max小于等于0.01且RG2大于等于0.9，说明精度达到要求，继续执行步骤7)，反之，跳转执行步骤1)；所述Average、Max、RG2的计算公式分别为：其中，n为样本点数，i为第i个样本点，yi为第i个样本点的有限元分析值，为第i个样本点的响应面模型计算值，为所有样本点的有限元分析均值；步骤7)，以汽车缓冲吸能A柱在汽车纵向方向上的位移最小为目标，采用多岛遗传算法对汽车A柱耐撞性子系统进行优化运算，得到针对汽车A柱耐撞性子系统的各设计参数的Pareto解集；步骤8)，以HIC值最小为目标，采用粒子群算法对行人保护系统进行优化运算，得到针对行人保护系统的各设计参数的Pareto解集；步骤9)，以A柱质量最小为主系统的优化目标，在步骤7)和步骤8)得到的两个的Pareto解集的基础上，借助于AMGA算法，经过迭代运算，最后得到最优的包含内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数的Pareto解集；步骤10)，从步骤9)中得到的最优的Pareto解集中选取一组满意的妥协解进行输出。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1.本专利技术公开一种基于行人保护的缓冲吸能A柱结构，该结构同时兼顾了汽车A柱的耐撞性和行人保护两个方面，能够在控制行人头部伤害的前提下，提高了A柱的耐撞性能，对车内、车外人员都起到了保护的作用；2.本专利技术的优化方法是采用了参数化方法建立A柱几何模型、通过HYPERMESH二次开发建立有限元模型、采用拉丁超立方试验优化方法选取参数、建立子系统的Kriging响应面模型、利用多岛遗传算法和粒子群算法分别对耐撞性子系统和行人保护子系统进行独立优化、利用AMGA对总系统进行多学科协同优化。在保证汽车A柱的耐撞性的基础上，有效的降低行人头部伤害。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于行人保护的汽车吸能A柱的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的三维内凹六边形负泊松比单胞的结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱优化方法的流程示意图。图中，1-左侧A柱，2-右侧A柱，3-内壳，4-外壳，5-内芯。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示，本专利技术公开了一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，包含左侧A柱和右侧A柱；所述左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳的壁厚相同，且左侧A柱、右侧A柱通过胶接技术与汽车的相应部位连接。如图2所示，左侧A柱、右侧A柱的内芯是由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。如图3所示，本专利技术还公开了一种该基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱的优化方法，具体步骤如下：步骤1)，采用拉丁超立方实验优化方法，选取N组设计参数，每组设计参数包括了内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数，N为大于1的自然数、为预先设定的阈值；步骤2)，根据步骤1)中的N组参数，在CATIA中，建立N组汽车缓冲吸能A柱几何结构；步骤3)，在HYPERMESH中，分别建立50组正面碰撞有限元模型和50组行人头部碰撞A柱有限元模型；步骤4)，通过LS-DYNA计算,得到N组正面碰撞结果：汽车缓冲吸能A柱的最大位移和N组HIC值，所述HIC值为行人头部伤害指数步骤5)，在ISIGHT中，将总系统为设为汽车缓冲吸能A柱轻量化，两个子系统分别设为A柱耐撞性和行人保护；对汽车缓冲吸能A柱进行多学科协同优化，最终确定满足质量最轻的总目标和步骤1)中所述的各项设计参数值；步骤6)，利用代理模型方法，建立汽车A柱耐撞性子系统和行人保护子系统各自的Kriging代理模型，借助于相对误差绝对值Average、最大相对绝对值误差Max及相关系数RG2三个指标对Kriging代理模型精度进行判断，如果Average和Max小于等于0.01且RG2大于等于0.9，说明精度达到要求，继续执行步骤7)，反之，跳转执行步骤1)；所述Average、Max、RG2的计算公式分别为：其中，n为样本点数，i为第i个样本点，yi为第i个样本点的有限元分析值，为第i个样本点的响应面模型计算值，为所有样本点的有限元分析均值；步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，其特征在于，包含左侧A柱和右侧A柱；所述左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。

【技术特征摘要】
1.一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，其特征在于，包含左侧A柱和右侧A柱；所述左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。2.根据权利要求1所述的基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，其特征在于，所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳的壁厚相同，且左侧A柱、右侧A柱通过胶接技术与汽车的相应部位连接。3.基于权利要求1所述的基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱的优化方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1)，采用拉丁超立方实验优化方法，选取N组设计参数，每组设计参数包括了内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数，N为大于1的自然数、为预先设定的阈值；步骤2)，根据步骤1)中的N组参数，在CATIA中，建立N组汽车缓冲吸能A柱几何结构；步骤3)，在HYPERMESH中，分别建立50组正面碰撞有限元模型和50组行人头部碰撞A柱有限元模型；步骤4)，通过LS-DYNA计算,得到N组正面碰撞结果：汽车缓冲吸能A柱的最大位移和N组HIC值，所述HIC值为行人头部伤害指数；步骤5)，在ISIGHT中，将总系统为设为汽车缓冲吸能A柱轻量化，两个子系统分别设为A柱耐撞性和行人保护；对汽车缓冲吸能A柱进行多学科协同优化，最终确定满足质量最轻的总目标和步骤1)中所述的各项设计参数值；步骤6)，利用代理模型方法，建立汽车A柱耐撞性子系统和行人保护子系统各自的Kriging代理模型，借助于相对误...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春燕，王崴崴，赵万忠，
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