一种仿生结构汽车防撞梁的设计及优化方法技术

一种仿生结构汽车防撞梁的设计及优化方法，本发明专利技术采用龟壳结构工程简化、防撞梁自由模态分析、防撞梁强度性能和冲击性能分析、防撞梁多目标优化的步骤，在HyperMesh联合Ls

【技术实现步骤摘要】
一种仿生结构汽车防撞梁的设计及优化方法


[0001]本专利技术涉及汽车零部件轻量化设计领域，尤其涉及一种仿生结构汽车防撞梁的设计及优化方法，具体涉及一种仿龟壳结构的汽车防撞梁的制作方法。

技术介绍

[0002]已知的，碰撞是当今交通事故中最主要的事故形式之一，在导致严重损伤和死亡的事故中，汽车前保险杠对整车的正面碰撞安全性能有着重要的意义。汽车前保险杠在低速碰撞中发生弹性变形吸收碰撞能量，是保护其后方部件的重要结构、有效降低修复成本；在高速碰撞时能将撞击力合理地传递、分配给整个车身结构，避免局部严重变形，从而保证乘员有足够的生存空间等。提高保险杠的耐撞性能够减少正面碰撞中的人员伤亡和车辆损坏。另一方面，随着石油危机和环境污染问题的日益严重，轻量化已成为汽车工业的重要课题。有研究数据表明，当汽车质量减少10％，燃油消耗可以相应降低6％～8％。因此，研究者在进行保险杠设计时，应综合考虑其耐撞性和轻量化因素。
[0003]目前大部分汽车防撞梁的设计主要是依据传统经验和方法进行设计，防撞梁截面为口字型、日字型、目字型和田字型等。以上的截面设计对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生结构汽车防撞梁的设计及优化方法，其特征是：所述方法具体包括如下步骤：第一步、首先针对需设计及仿生的防撞梁外形及筋板实际工作情况，结合龟壳背甲的曲面特点，提取二者在结构、载荷、功能方面的相似性，由于龟壳与防撞梁相似性很高，将龟壳与防撞梁看作相似系统；运用相似度理论对防撞梁及龟壳进行相似度分析，得出相似度；第二步、利用HANDYSCAN3D手持式三维激光扫描获得表面状态良好的龟壳背甲曲面，采用逆向工程技术对龟壳进行曲面重构后建立几何模型，将三维几何模型导入HyperWorks中，进行前处理，然后导入Ls
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Dyna中进行碰撞分析，研究龟壳曲面及加强筋在其抗变形特性中的作用；第三步、提取龟壳的结构特征，对防撞梁进行结构仿生设计，提取龟壳顶部曲面特点作为仿生防撞梁壳体曲面结构，得到仿生防撞梁的壳体外形曲面结构，然后对连接龟壳背甲与腹甲的一种隔膜结构的加强筋，将龟壳加强筋应用于防撞梁中，对其进行工程简化处理，得到仿生防撞梁加强筋横梁结构的轮廓曲线，然后根据提取的结构特征参数对仿生结构汽车防撞梁进行三维模型构建；第四步、将防撞梁几何模型导入HyperMesh软件中，采用shell单元进行网格划分，建立钢制前防撞梁有限元模型，采用OptiStruct求解器进行求解计算，分析前防撞梁的性能，利用有限元分析软件对防撞梁进行自由模态仿真分析，求解防撞梁的固有频率、阻尼和振型，分析结果有助于在设计仿生防撞梁时避开汽车的激振频率，避免发生共振，从而保证汽车良好的静谧性和安全性；第五步、将仿生结构防撞梁三维模型导入HyperMesh进行三点静压有限元建模，在Nastran软件中对其仿真分析，通过三点静压试验和仿真分析对仿生防撞梁的强度进行研究，由试验和仿真分析得出的静压力
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位移曲线图，两条曲线变化进行误差分析，峰值出现的时间也较吻合，验证仿生方法的有效性和可靠性，确立仿生防撞梁强度性能的评价指标；第六步、在HyperMesh中建立汽车前端与刚性墙几何模型，并将与前纵梁相连的整车简化为刚性板，在前处理软件HyperMesh中采用壳单元对所建模型进行网格划分，在Ls
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Dyna软件中，根据中国汽车技术研究中心的C
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NCAP法规，通过高速正面碰撞仿真与试验结果对比分析；第七步、根据相关标准，使用所建车身前端有限元模型，在低速正面碰撞仿真时，采用碰撞器代替高速模型中的刚性墙，采用实体单元对其进行网格划分，碰撞结果分析，碰撞仿真结束后，在HyperGraph软件中输出仿真计算过程中的能量变化曲线，各能量曲线平滑无突变，且沙漏能最大值低于总能量的4％～6％，证明低速正面碰撞仿真计算结果可信；第八步、采用仿生结构汽车防撞梁及铝合金吸能盒代替原钢制防撞梁及吸能盒，其中吸能盒厚度为原钢制吸能盒厚度，进行低速碰撞仿真，得到两种结构的防撞梁质量、吸能盒质量、侵入量、吸能量、碰撞力参数，仿生结构刚度较大，致使侵入量较小，碰撞力峰值过大，汽车前端各项性能指标应适当，刚度过强也会使其在汽车发生低速碰撞时起不到保护作用，因此，以钢制前端结构性能参数为参考，对仿生结构汽车防撞梁及铝合金吸能盒进行多目标优化；第九步、采用一体成型技术能够较完整的还原仿生结构汽车防撞梁设计的优质性能，按照设计的仿生结构汽车防撞梁三维模型，对仿生结构汽车防撞梁铸件按照浇注系统方案
在CATIA中进行三维建模，利用SLA成型设备对仿生结构汽车防撞梁铸件浇注系统模型结构进行打印，得到仿生结构汽车防撞梁铸件组树蜡模；第十步、铸件组树蜡模是用制壳浆料包裹覆盖，浆料固化后，在脱蜡釜进行整体的烘烤加热，里面的蜡模就会慢慢熔化流出，750～850℃下被完全脱除，由于铸件浇注温度对凝固时间有影响，需要对浇注时间、浇注温度、模壳温度、铸件的凝固温度进行控制，保证铸件顺利冲型，然后再按照工艺要求对半成品进行修正加工。2.根据权利要求1所述的仿生结构汽车防撞梁的设计及优化方法，其特征是：所述第一步中将龟壳与防撞梁看作相似系统时，记龟壳与防撞梁之间的相似度为Q，由公式确定，公式：式中Q为相似元的相似度，β
i
为权重系数，当0＜β
i
＜1，且q(u
i
)为相似元相似度；选取系数β
i
的评价因素集为U＝{u1,u2,u3}，u1、u2、u3分别为提取二者在结构、载荷、功能方面的相似元。基于评价因素集、矩阵标度等，可得判断矩阵如下所示：矩阵p中，u
ij
＞0,u
ii
＝1,u
ij
＝u
ji
‑1,i＝(1,2,
…
,N),j＝(1,2,
…
,N)。进一步的，相似元作为评价相似系统的判断矩阵p，通过计算得到矩阵p的特征向量为β＝(β1,β2…
β)
T
，避免主观因素对判断矩阵p的影响，保证矩阵的准确性和可靠性，对其进行一致性检验，检验矩阵的一致性公式：式中C.R为随机一致性比率，C.I.为一致性指标，R.I为平均随记一致性指标；式中λ
max
为判断矩阵最大值，n为矩阵阶数；相似元作为评价相似系统的判断矩阵p，矩阵p通过一致性计算得出比率C.R.＜0.1，
C.R.＜0.1表示矩阵p的不一致性在可接受范围内，是合理的，龟壳与防撞梁相似系统之间的相似元的相似度为：q＝(a,b,c)，a＝q(u1),b＝q(u2),c＝q(u3)，龟壳与防撞梁相似系统的相似度为Q＝{β1a+β2b+β3c}，Q范围在0
‑
1之间，通过相似性计算分析龟壳结构和防撞梁有较高的相似度。3.根据权利要求1所述的仿生结构汽车防撞梁的设计及优化方法，其特征是：所述第三步中所述的仿生结构汽车防撞梁设计时，是其中外层的特殊曲面结构以龟壳外形结构仿生得到的参数，根据仿生学原理得出龟壳曲面结构特点提取演化图，防撞梁壳体曲面结构是由龟壳曲面结构特点提取演化图中的三维龟壳模型图曲面龟壳中间顶部(10)位置龟壳曲面结构特点提取演化的第一步以100mm宽度进行裁剪，提取龟壳顶部曲面特点作为仿生防撞梁壳体曲面结构，龟壳尾部(9)起主要传递应力作用，在设计仿生防撞梁过程中，龟壳曲面结构特点提取演化的第二步和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，万红飞，徐立友，李瑞旭，徐梦涵，闫祥海，赵思夏，何飞飞，王其远，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：