一种以期望力响应历程为目标的吸能结构优化方法技术

一种以期望力响应历程为目标的吸能结构优化方法，通过设置合适的期望力响应曲线，通过迭代的方式不断更新优化过程的目标函数的值以获得新的有限元模型，能够让结构的实际力响应曲线逐渐接近期望力响应曲线，改善结构的吸能能力。本发明专利技术不仅能够改变薄壁管的变形模式，由低能量吸收的欧拉变形变为高能量吸收的渐进屈曲变形，而且能够同时改善多个吸能评估指标。优化后的薄壁管的实际力响应曲线更加贴近期望力响应曲线。利用本发明专利技术得到的吸能部件能够产生理想的变形模式，耗散更多的冲击动能，对各种交通工具吸能装置的设计具有极大的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种以期望力响应历程为目标的吸能结构优化方法
本专利技术属于交通安全
，尤其涉及一种以期望力响应历程为目标的吸能结构优化方法。
技术介绍
安全性是交通工具设计过程中的最基本要求。近年来，随着交通运输业的发展，碰撞事故已成为影响乘员生命安全的突出问题。薄壁金属结构由于其轻量化、可制造性和良好的耐撞击能力，在汽车和航空工业的吸能结构中得到了广泛的应用。在车辆或飞机发生碰撞时，吸能结构通过塑性变形吸收冲击能量最大限度的保障乘员安全。薄壁金属结构的吸能能力与其变形模式密切相关，理想的变形模式为渐进屈曲，该模式能够产生更多的褶皱变形耗散冲击动能。当前，研究者们对吸能结构做了大量的研究，多以元件级尺寸优化设计为主。元件级的尺寸优化，设计区域和设计变量个数较少，不可避免的影响优化效果。自由尺寸优化方法是以薄壁结构有限元模型中单元厚度为设计变量，求解最优厚度分布的广义尺寸优化方法，可方便进行结构整系统单元级优化设计。但该方法设计变量规模庞大，通常在几万至十几万，并且冲击动力学问题具有很强的非线性，单次显示动力学分析耗时长。为了解决以上问题，发展了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以期望力响应历程为目标的吸能结构优化方法，其特征在于，具体过程是：/n步骤1，建立薄壁管受冲击的原始有限元模型：/n按照受冲击的薄壁管与刚性冲击板的结构特征，得到该薄壁管与刚性冲击板的几何模型，并建立薄壁管受冲击的原始有限元模型；/n步骤2，求解薄壁管受冲击时的实际力响应曲线：/n利用显示动力学分析软件LS-DYNA对步骤1中建立的原始有限元模型进行模拟冲击，并得到原始有限元模型中包含的所述刚性冲击板的冲击过程和薄壁管变形的结果文件；利用MATLAB软件提取该结果文件中薄壁管与刚性冲击板之间的冲击力和刚性冲击板位移的数据，得到薄壁管受冲击时的实际力响应曲线；/n所述实际力响应曲线是冲击...

【技术特征摘要】
1.一种以期望力响应历程为目标的吸能结构优化方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，建立薄壁管受冲击的原始有限元模型：
按照受冲击的薄壁管与刚性冲击板的结构特征，得到该薄壁管与刚性冲击板的几何模型，并建立薄壁管受冲击的原始有限元模型；
步骤2，求解薄壁管受冲击时的实际力响应曲线：
利用显示动力学分析软件LS-DYNA对步骤1中建立的原始有限元模型进行模拟冲击，并得到原始有限元模型中包含的所述刚性冲击板的冲击过程和薄壁管变形的结果文件；利用MATLAB软件提取该结果文件中薄壁管与刚性冲击板之间的冲击力和刚性冲击板位移的数据，得到薄壁管受冲击时的实际力响应曲线；
所述实际力响应曲线是冲击力与位移之间的关系；所述冲击力是薄壁管与刚性冲击板之间的冲击力，所述位移是刚性冲击板的位移；
步骤3，设置期望力响应曲线：
通过得到薄壁管受冲击时的实际力响应曲线的峰值和平均值设置期望力响应曲线；所述期望力响应曲线是优化过程中设置的冲击力与位移之间的关系；所述冲击力是薄壁管与刚性冲击板之间的冲击力，所述位移是刚性冲击板的位移；
设置的期望力响应曲线为一条平行于x轴的直线，该期望力响应曲线的冲击力的平均值为5.00×104N；所述期望力响应曲线的坐标系中，横坐标x为刚性冲击板的位移，单位为m；纵坐标F为薄壁管与刚性冲击板之间的碰撞力，单位为N；
步骤4，确定薄壁管优化过程的目标函数：
所述目标函数是实际力响应曲线与期望力响应曲线的差的最小值，其表达式为：



其中，minC为目标函数，F(x)为实际响应力曲线，F0(x)为目标响应力曲线，x0和xe分别为在冲击过程中刚性冲击板的初始位移和最终位移；
步骤5，确定设计变量：
所述设计变量是吸能结构优化过程中的每个壳单元的厚度；所述优化过程通过迭代的方式实现；每次迭代设计中各壳单元的厚度都会变化；
将原始有限元模型中薄壁管的各壳单元的厚度分别作为当前的设计变量，即设计变量的数量与壳单元的数量相同；每个壳单元的初始厚度均为3mm；
步骤6，确定约束条件：
将壳单元厚度和优化过程中原始有限元模型中薄壁管的质量作为约束条件，



其中，t为有限元模型薄壁管的单元厚度矩阵；tmax和tmin分别为壳单元厚度的上限和下限；m为优化过程中1/4薄壁管的质量；m0为1/4薄壁管的厚度为3mm时的质量；
步骤7，获得新的有限元模型：
通过步骤4中得到所述薄壁管优化过程的目标函数的值获得新的有限元模型，具体是：
利用步骤4中的公式4-1计算所述原始有限元模型的目标函数值；
建立步骤2中所述原始有限元模型中薄壁管与刚性冲击板之间的冲击力与单元厚度的关系F(x)，



其中，ΔEk为冲击过程动能的变化，ΔEI为冲击过程内能的变化，为第i次中第n个单元的厚度，为第i-1次中第n个单元的厚度，N为单元的数目；x为冲击过程中刚性冲击板的初始位移x0与刚性冲击板的最终位移xe之间任意位置的位移；
利用MATLAB软件提供的约束非线性多变量优化算法，求解公式7-1，得到薄壁管中每个壳单元的新厚度，并用该新厚度替换步骤1中建立的所述原始有限元模型中每个壳单元的厚度，获得新的有限元模型；
步骤8，计算优化过程的目标函数值：
通过所述新的有限元模型再次得到新的目标函数值；
通过迭代的方式再次获得所述新的目标函数值；由于显示动力学分析过程中存在数值噪声，所述的迭代次数的初始值为11次；具体是：
返回步骤2，利用步骤2所述的方法再次得到所述新的有限元模型的实际力响应曲线；
进入步骤7，通过该实际力响应曲线计算新的目标函数值；在计算该新的目标函数值中，所需的期望力响应曲线、目标函数的表达式、设计变量和约束条件均同步骤3～步骤6中确定的条件和参数；再次得到新的目标函数值，并同时再次得到一个新的有限元模型；
利用迭代中再次获得的新的有限元模型继续得到新的有限元模型的实际力响应曲线；

【专利技术属性】
技术研发人员：安伟刚，王世根，韩煦，
申请(专利权)人：西北工业大学太仓长三角研究院，西北工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32