一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法技术

本发明专利技术属于汽车用吸能结构技术领域，具体涉及一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法。该方法可以根据薄壁吸能结构自身的吸能情况设计结构的厚度变化。针对给定的冲击载荷工况，以汽车薄壁吸能结构的厚度为设计变量，以薄壁吸能结构的总吸能值为设计目标，在限定薄壁吸能结构总质量的约束条件下，达到提升耐撞性的目的。该方法从逆向设计出发，主体思想是在需要的地方(能量吸收多的地方)增加厚度，在不需要的地方(能量吸收少的地方)减少厚度，希望材料在结构中合理布置。通过该方法，工程师能快速的进行吸能结构变厚度设计，该方法简化了吸能结构设计的流程、控制了成本，且具有良好的可操作性与便捷性。可操作性与便捷性。

【技术实现步骤摘要】
一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法


[0001]本专利技术属于汽车用吸能结构
，具体涉及一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法。

技术介绍

[0002]汽车车身结构基本是由薄壁吸能构件组成，当汽车发生碰撞时，基本都是利用薄壁吸能结构的塑性变形耗散大部分碰撞能量，同时将碰撞载荷传递到车身其他结构上，以尽量减轻碰撞对乘员的伤害。薄壁吸能结构的吸能特性直接决定了车体在碰撞时所产生的加速度和冲击响应，这也将直接影响乘员的安全性。在汽车轻量化问题日益严峻的情况下，如何合理的设计车身结构、有效的布置性能良好的缓冲吸能薄壁结构以满足汽车耐撞性要求已成为众多科学家研究的一个热门课题。
[0003]传统车身结构主要由厚度均匀的金属薄壁板材构成。然而，一个均匀壁厚的吸能结构并不一定能最高效地利用全部材料产生塑性变形来吸收能量。薄壁吸能结构在实际变形过程中，其各部位的承载是非均匀的，若仍采用均匀设计理念，结构各部位未充分挖掘材料的承载能力和材料利用率，也未考虑材料分布对薄壁结构耐撞性影响。因此，迫切需要开发不同厚度组合的新型吸能结构，以最大限度地提高抗撞能力和材料利用率。车身变厚度薄壁吸能结构对于兼顾车身轻量化和耐撞性设计具有重要工程意义，在车身吸能领域具有广阔的应用价值。
[0004]然而，目前研究者在进行变厚度结构设计的过程中，通常会根据经验事先给定结构厚度的分段情况或者厚度的变化趋势，然后才进行变厚度优化设计。但是这仅仅是特定情形下的变厚度设计，可能不是最优的情形。为了高效便捷的设计变厚度薄壁吸能结构，本专利提供了一种新的变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法。该方法根据吸能结构的单元能量信息来设计单元的厚度，对吸能多的单元分配更多的厚度，吸能少的单元分配更少的厚度，以提高薄壁吸能结构的吸能特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法，该方法能根据吸能结构的单元能量信息高效快捷的进行吸能结构变厚度设计。
[0006]为实现上述目的，本专利技术是采用如下技术方案实现的：
[0007]一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法，步骤如下：
[0008]步骤1、根据待设计的薄壁吸能结构的设计要求确定厚度变化的设计区间(t
min
,t
max
)，对待设计的薄壁吸能结构进行网格划分，施加边界约束条件与载荷条件，得到有限元分析模型；
[0009]步骤2、根据所述厚度设计区间和网格划分情况，确定设计变量的数量n(x1,x2，x3……
x
n
)，并确定每一设计变量所包含的单元编号和数目；
[0010]步骤3、进行有限元分析，通过结果文件提取设计变量的能量信息，用Bezier曲线
对设计变量能量信息进行圆整处理，得到圆整后每一设计变量的能量信息E
i
(i＝1,2,3
……
n)。
[0011]步骤4、根据所述的圆整后的设计变量能量信息和厚度变化区间进行逆向设计，根据圆整后的设计变量能量信息调整设计变量的厚度，对能量信息大的设计变量赋予大的厚度，对能量信息小的设计变量赋予小的厚度；能量信息是一系列大于0的数值，有大有小，按照能量信息数值大小来赋予厚度，能量信息数值大的地方就给赋予一个大的厚度，小的地方就给赋予一个小的厚度。
[0012]步骤5、对逆向设计后的变厚度薄壁吸能结构进行有限元分析，提取整个结构的总吸能和总质量，根据整个结构的总吸能和总质量判断结构是否满足设计要求，如果不满足要求，重复上述步骤1
‑
5直至结构满足设计要求为止。
[0013]进一步地，步骤2具体是指根据所述厚度设计区间和网格划分情况，确定设计变量的数量，并确定每一设计变量所包含的单元编号和数目，薄壁吸能结构变厚度设计有沿轴线方向变厚度设计和沿截面周向变厚度两种情况，当设计要求沿轴线方向变厚度设计，则以每一行单元或者以每几行单元为一个设计变量；当设计要求沿截面周向变厚度设计，则以每一列单元或者每几列单元为一个设计变量，根据所述厚度设计区间和网格划分情况即可确定设计变量的个数，亦能确定每一设计变量所包含的单元编号和数目。
[0014]进一步地，步骤3具体是指通过有限元分析后的结果文件提取每个设计变量对应的一行或者几行，一列或者几列单元的吸能和，根据设计要求或者网格划分的不同，每个设计变量所含单元的尺寸和数目并不能保证完全一样，所以提取的设计变量所含单元的吸能和还要除以设计变量所含单元的质量和，得到设计变量初步的能量信息，接着采用Bezier曲线对设计变量初步的能量信息进行圆整处理，得到圆整后每一设计变量的能量信息E
i
(i＝1,2,3
……
n)。
[0015]进一步地，步骤4具体是指根据设计要求的变厚度范围(t
min
,t
max
)与圆整后每一个设计变量的能量信息E
i
确定每个设计变量的厚度，能量信息最大的设计变量E
max
、对应最大的厚度t
max
，能量信息最小的设计变量E
min
对应最小的厚度t
min
，中间的设计变量则根据对应关系求得得到，对应关系为：其中然后根据设计变量的厚度变化，重新调整有限元模型。
[0016]进一步地，步骤5具体是指提取相应变厚度设计后的吸能结构总吸能和总质量，然后对比设计前后结构的总吸能和总质量，看总吸能和总质量是否满足设计要求。
[0017]相较于现有技术，本专利技术的技术方案具备以下有益效果：
[0018]本专利技术提供了变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法，通过提取的设计变量的能量信息赋予设计变量不同的厚度，在吸能多的地方增加厚度，在吸能少的地方减少厚度，从而获得最优的变厚度吸能结构。该方案根据具体的设计要求实现变厚度设计，因此可以设计出不同工作条件下的最优变厚度吸能结构，能够适合不同的工况条件。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的流程图；
[0020]图2(a)为本专利技术实施例立体示意图；
[0021]图2(b)为本专利技术实施例俯视和侧视示意图；
[0022]图3(a)为本专利技术实施例轴向变厚度设计，设计变量能量信息和Bezier圆整处理后能量信息图；
[0023]图3(b)为本专利技术实施例周向变厚度设计，设计变量能量信息和Bezier圆整处理后能量信息图；
[0024]图4(a)为本专利技术实施例轴向变厚度设计后吸能结构与设计前吸能结构总吸能和总质量对比图；
[0025]图4(b)为本专利技术实施例周向变厚度设计后吸能结构与设计前吸能结构总吸能和总质量对比图。
具体实施方式
[0026]现以图2(a)和图2(b)所示帽型薄壁吸能结构方案的设计为例对本专利技术所提出的方法进行说明。在该实施例中，帽型薄壁吸能结构的总吸能为设计目标，要求越大越好，总质量为约束目标，要求设计后的结构总质量不能大于设计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据待设计的薄壁吸能结构的设计要求确定厚度变化的设计区间(t
min
,t
max
)，对待设计的薄壁吸能结构进行网格划分，施加边界约束条件与载荷条件，得到有限元分析模型；步骤2、根据所述厚度设计区间和网格划分情况，确定设计变量的数量n(x1,x2，x3……
x
n
)，并确定每一设计变量所包含的单元编号和数目；步骤3、进行有限元分析，通过结果文件提取设计变量的能量信息，用Bezier曲线对设计变量能量信息进行圆整处理，得到圆整后每一设计变量的能量信息E
i
(i＝1,2,3
……
n)；步骤4、根据所述的圆整后的设计变量能量信息和所述的厚度变化区间进行逆向设计，根据圆整后的设计变量能量信息E
i
调整设计变量的厚度，对能量信息相对大的设计变量赋予大的厚度，对能量信息相对小的设计变量赋予小的厚度；步骤5、对逆向设计后的变厚度薄壁吸能结构进行有限元分析，提取整个结构的总吸能和总质量，根据整个结构的总吸能和总质量判断结构是否满足设计要求，如果不满足要求，重复上述步骤1
‑
5直至结构满足设计要求为止。2.根据权利要求1所述的一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法，其特征在于：所述的步骤2具体是指根据所述厚度设计区间和网格划分情况，确定设计变量的数量，并确定每一设计变量所包含的单元编号和数目，薄壁吸能结构变厚度设计有沿轴线方向变厚度设计和沿截面周向变厚度两种情况，当设计要求沿轴线方向变厚度设计，则以每一行单元或者以每几行单元为一个设计变量；当设计要求沿截面周向变厚度设计，则以每一列单元或者每几列单元为一个设计变量，根据所述厚度设计区间和网格划分情况即可确定设计变量的个数，亦能确定每一设计变量所包含的单元编号和数目。3.根据权利要求1或2所述的一种变厚度薄壁吸能结构逆向设计方法，其特征在于：所述的步骤3具体是指通过有限元分析后的结果文件提取每个设计变量对应的一行或者几行，一列或者几列单元的吸能和，根据设计要求或者网格划分的不同，每个设计变量所含单元的尺寸和数目并不能保证完全一样，所以提取的设计变量所含单元的吸能和还要除以设计变量所含单元的质量和，得到设计变量初步的能量信息，接着采用Be...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘唐英，冯慧，袁正，杜宪峰，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：