一种仙人掌仿生结构防撞车门及其优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于仙人掌结构防撞车门及其优化设计方法，防撞车门包括车内内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁和车窗框架；填充内芯基于仙人掌外观结构进行仿生设计制成，通过仿生仙人掌结构在受到外部冲击时的纯皱褶变形从而使得车辆在受到侧面碰撞时尽可能的吸收碰撞能量；填充内芯固定于车门外板、车门内板之间的空隙之中，车门防撞梁和车门内板固定。优化时，选取车门垂直刚度、一阶频率、车门质量和侧面碰撞安全性作为车门结构优化的目标，对车门外板厚度、车门内板厚度、填充内芯厚度、车门防撞梁厚度、车门内板加强板厚度进行优化设计，提升车门的防撞性能从而保护车内乘员的安全。

A Bionic Anti-collision Door of Cactus and Its Optimum Design Method

The invention discloses an anti-collision car door based on cactus structure and its optimization design method. The anti-collision car door includes the inner panel, the outer panel, the inner core, the door anti-collision beam and the window frame; the inner core is bionic designed and manufactured based on the external structure of cactus, and the pure fold deformation of the bionic cactus structure when subjected to external impact causes the vehicle to be subjected to side impact. When colliding, absorb collision energy as much as possible; fill the inner core and fix it in the gap between the door outer panel and the door inner panel, and fix the door anti-collision beam and the door inner panel. When optimizing, the vertical stiffness, first-order frequency, door quality and side impact safety are selected as the objective of door structure optimization. The thickness of door outer panel, door inner panel, filling inner core, door anti-collision beam and door inner panel reinforcement plate are optimized to improve the anti-collision performance of door and protect passengers'safety.

【技术实现步骤摘要】
一种仙人掌仿生结构防撞车门及其优化设计方法
本专利技术涉及汽车被动安全防护领域，尤其涉及一种仙人掌仿生结构防撞车门及其优化设计方法。
技术介绍
车门作为汽车车身的重要组成部分，轻量化的同时必须满足碰撞性能要求，同时不应受到发动机、路面等激励产生明显振动而影响整车的NVH性能。当汽车在发生侧面碰撞时，车门侵入量较大，无法提供足够的乘员空间和尽可能多的吸收能量。针对存在的问题，目前常见的方法是对车门进行优化设计或者填充泡沫、蜂窝铝等一些吸能材料，虽然可以使得车门吸能特性得到一定程度上的改善，但考虑到各种工况的协调最优性，这些传统的方式无法对车门的整体性能做出较大的改进。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所提到的不足，提供一种仙人掌仿生结构防撞车门及其优化设计方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种仙人掌仿生结构防撞车门，包含车门内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁和车窗框架结构；所述车门外板、车门内板的边缘相互固连，且车门外板向远离车门内板的方向凸起，配合形成具有空隙的壳体；所述车门防撞梁置于车门外板、车门内板之间的空隙中，和所述车门内板固连；所述填充内芯由仙人掌仿生结构单胞阵列而成，置于车门外板、车门内板之间的空隙中，分别与车门外板、车门内板固连，用于车辆在发生侧面碰撞时吸收能量；所述仙人掌仿生结构单胞呈六角星状，六个内夹角大小相同、十二条边等长；所述车窗框架结构和车门外板、车门内板的上边缘固连，用于安装汽车玻璃。作为本专利技术一种仙人掌仿生结构防撞车门进一步的优化方案，所述仙人掌仿生结构单胞每条边长度为8mm，每两条边之间的内夹角大小为70度。作为本专利技术一种仙人掌仿生结构防撞车门进一步的优化方案，所述车门外板和车门内板的边缘通过焊接方式固连。作为本专利技术一种仙人掌仿生结构防撞车门进一步的优化方案，所述车门外板的厚度为2.2mm，车门内板的厚度为1.5mm，仙人掌仿生结构单胞的壁厚为0.8mm，车门防撞梁厚度为1.8mm。本专利技术还公开了一种该仙人掌仿生结构防撞车门优化设计方法，包含以下步骤：步骤1），在Catia软件中分别建立车门内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁的CAD模型，将它们依次导入到Hypermesh软件中进行几何清理和网格划分、组合成车门模型，并设置各个初始值如下：车门外板的厚度为2.2mm、车门内板的厚度为1.5mm、仙人掌仿生结构单胞的壁厚为0.8mm、车门防撞梁厚度为1.8mm；步骤2），在Isight软件中，利用最优拉丁超立方实验设计方法，对预设的变量在预设阈值范围内选取60组样本点；所述预设变量包括车门外板厚度t1、车门内板厚度t2、填充内芯结构厚度t3、车门防撞梁厚度t4、车窗框架结构厚度t5，预设阈值范围依次为：t1：[1.8-2.6],t2:[1-2],t3:[0.5-1.2],t4:[1.3-2.3],t5:[0.6-1.4],单位均为mm；根据选取的样本点，在hypermesh中分别建立60组防撞车门有限元模型，以Hypermesh和Nastran为分析工具分别建立车门垂直刚度和自由模态两个分析工况，对所建立的60组车门有限元模型进行垂直刚度和自由模态分析；步骤3），根据分析得到的结果利用响应面法建立垂直刚度和一阶频率的二阶响应面模型，以近似模型代替有限元模型并检验所建立的响应面模型的相关系数和均方根误差；步骤4），在hypermesh中建立60组车门有限元模型的侧面碰撞模型并导入到LS-DYNA中进行仿真计算，统计防撞车门的总吸能、车门内板的加速度、车门的总质量、车门内板的侵入量，借助响应面法建立上述四个指标的二阶响应面模型并检验模型的正确度；步骤5），以车门纵向能、车门内板的加速度、车门内板的侵入量、车门的总质量作为优化目标，以垂直刚度和一阶频率作为约束条件，建立防撞车门优化的数学模型，采用多目标遗传算法进行求解，得到优化结果。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.本专利技术提出一种仙人掌仿生结构防撞车门，借助仙人掌仿生结构在受到轴向冲击时的纯皱褶变形有效地解决了传统车门侵入量过大、吸收能量效果不佳等缺陷；2.采用多目标遗传算法对仙人掌仿生结构防撞车门进行多目标优化设计，保证整车的NVH性能，进一步提高仿生结构防撞车门的整体吸能特性。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术中仙人掌仿生结构单胞的结构示意图。图中，1-车窗框架结构，2-车门外板，3-车门内板，4-填充内芯，5-车门防撞梁。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：本专利技术可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本专利技术的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。如图1所示，一种仙人掌仿生结构防撞车门，包含车门内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁和车窗框架结构；所述车门外板、车门内板的边缘相互固连，且车门外板向远离车门内板的方向凸起，配合形成具有空隙的壳体；所述车门防撞梁置于车门外板、车门内板之间的空隙中，和所述车门内板固连；所述填充内芯由仙人掌仿生结构单胞阵列而成，置于车门外板、车门内板之间的空隙中，分别与车门外板、车门内板固连，用于车辆在发生侧面碰撞时吸收能量；如图2所示，所述仙人掌仿生结构单胞呈六角星状，六个内夹角大小相同、十二条边等长；所述车窗框架结构和车门外板、车门内板的上边缘固连，用于安装汽车玻璃。所述仙人掌仿生结构单胞每条边长度为8mm，每两条边之间的内夹角大小为70度；车门外板和车门内板的边缘通过焊接方式固连。所述车门外板的厚度为2.2mm，车门内板的厚度为1.5mm，仙人掌仿生结构单胞的壁厚为0.8mm，车门防撞梁厚度为1.8mm。本专利技术还公开了一种该仙人掌仿生结构防撞车门优化设计方法，包含以下步骤：步骤1），在Catia软件中分别建立车门内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁的CAD模型，将它们依次导入到Hypermesh软件中进行几何清理和网格划分、组合成车门模型，并设置各个初始值如下：车门外板的厚度为2.2mm、车门内板的厚度为1.5mm、仙人掌仿生结构单胞的壁厚为0.8mm、车门防撞梁厚度为1.8mm；步骤2），在Isight软件中，利用最优拉丁超立方实验设计方法，对预设的变量在预设阈值范围内选取60组样本点；所述预设变量包括车门外板厚度t1、车门内板厚度t2、填充内芯结构厚度t3、车门防撞梁厚度t4、车窗框架结构厚度t5，预设阈值范围依次为：t1：[1.8-2.6],t2:[1-2],t3:[0.5-1.2],t4:[1.3-2.3],t5:[0.6-1.4],单位均为mm；根据选取的样本点，在hypermesh中分别建立60组防撞车门有限元模型，以Hypermesh和Nastran为分析工具分别建立车门垂直刚度和自由模态两个分析工况，对所建立的60组车门有限元模型进行垂直刚度和自由模态分析；步骤3），根据分析得到的结果利用响应面法建立垂直刚度和一阶频率的二阶响应面模型，以近似模型代替有限元模型并检验所建立的响应面模型的相关系数和均方根误差；步骤4），在hypermesh中建立60组车门有限元模型的侧面碰撞模型并导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仙人掌仿生结构防撞车门，其特征在于，包含车门内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁和车窗框架结构；所述车门外板、车门内板的边缘相互固连，且车门外板向远离车门内板的方向凸起，配合形成具有空隙的壳体；所述车门防撞梁置于车门外板、车门内板之间的空隙中，和所述车门内板固连；所述填充内芯由仙人掌仿生结构单胞阵列而成，置于车门外板、车门内板之间的空隙中，分别与车门外板、车门内板固连，用于车辆在发生侧面碰撞时吸收能量；所述仙人掌仿生结构单胞呈六角星状，六个内夹角大小相同、十二条边等长；所述车窗框架结构和车门外板、车门内板的上边缘固连，用于安装汽车玻璃。

【技术特征摘要】
1.一种仙人掌仿生结构防撞车门，其特征在于，包含车门内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁和车窗框架结构；所述车门外板、车门内板的边缘相互固连，且车门外板向远离车门内板的方向凸起，配合形成具有空隙的壳体；所述车门防撞梁置于车门外板、车门内板之间的空隙中，和所述车门内板固连；所述填充内芯由仙人掌仿生结构单胞阵列而成，置于车门外板、车门内板之间的空隙中，分别与车门外板、车门内板固连，用于车辆在发生侧面碰撞时吸收能量；所述仙人掌仿生结构单胞呈六角星状，六个内夹角大小相同、十二条边等长；所述车窗框架结构和车门外板、车门内板的上边缘固连，用于安装汽车玻璃。2.根据权利要求1所述的仙人掌仿生结构防撞车门，其特征在于，所述仙人掌仿生结构单胞每条边长度为8mm，每两条边之间的内夹角大小为70度。3.根据权利要求1所述的仙人掌仿生结构防撞车门，其特征在于，所述车门外板和车门内板的边缘通过焊接方式固连。4.根据权利要求1所述的一种仙人掌仿生结构防撞车门，其特征在于，所述车门外板的厚度为2.2mm，车门内板的厚度为1.5mm，仙人掌仿生结构单胞的壁厚为0.8mm，车门防撞梁厚度为1.8mm。5.基于权利要求1所述的仙人掌仿生结构防撞车门优化设计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1），在Catia软件中分别建立车门内板、车门外板、填充内芯、车门防撞梁的CAD模型，将它们依次导入到Hypermesh软件中进行几何清理和网格划分、组合成车门模型，并设置各个初始值如下：车门外板的厚度为2.2mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁广超，王春燕，赵万忠，王衍圣，
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