【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于汽车碰撞被动安全，尤其是一种基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒及其优化方法。
技术介绍
1、随着汽车工业快速发展，交通事故和人员伤亡问题愈来愈恶劣，促进了汽车安全技术的发展。现阶段汽车安全技术主要包括主动安全技术和被动安全技术。被动安全技术作为汽车安全技术的重要组成部分，能够在事故发生时保护车内乘客，尽可能减少对乘客的伤害，提高乘客的生存概率。
2、汽车碰撞是一类常见的交通事故，主要分为正面碰撞、侧面碰撞、后部碰撞、侧翻等，其中正面碰撞事故占比最大，提高汽车正面碰撞安全技术对降低人员伤害与财产损失有显著意义。正面碰撞安全技术中的保险杠系统是不容忽视的安全件之一，而位于保险杠防撞梁两端的吸能盒虽然体积小，却是该系统中极为重要的部件。吸能盒的吸能效果与其外形结构和内部构造及填充材料紧密相关。吸能盒的外形结构设计存在空间限制，传统设计方法难满足日益增长的碰撞性能要求；且现阶段汽车吸能盒基本为多胞体结构或采用一些传统材料作为其内芯，这些内芯填充材料多为正泊松比结构材料，在碰撞过程中存在刚度低、抗压强度差、变形不可控等缺点，支撑和抗冲击的效果较差。
3、结构仿生学基本的设计思路是借鉴生物体的某种生物功能，并广泛用于汽车多个领域，而在被动安全领域仅在材料和基础结构上进行尝试。人体胫骨外部坚固的内凹形骨密质结构具有较强的抗压和抗扭曲性，能够以较低的质量实现较强的功能，但尚未直接运用到汽车吸能盒的设计当中。
4、负泊松比材料能够在受到拉伸时于弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时产生收缩，这类材料
5、为进一步改善吸能盒的耐撞性能，以人体胫骨外部坚固的内凹形骨密质结构为仿生对象对吸能盒外部结构进行设计，同时将负泊松比结构材料应用于吸能盒的内部填充，对提升汽车被动安全技术的性能具有重要意义。
技术实现思路
1、针对传统吸能盒在正面碰撞过程中存在变形模式不理想、受力分布不均匀、能量吸收不充分等问题，本专利技术提出一种基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒及其优化方法，以人体胫骨外部坚固的内凹形骨密质结构为仿生对象对吸能盒外形结构进行设计，同时将负泊松比结构材料应用于吸能盒的内部填充，并采用优化算法对吸能盒结构进行优化，进而提升吸能盒的耐撞性和吸能效果。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，由外壳组件和具有厚度梯度的npr内芯组成；
4、所述外壳组件仿照胫骨的骨密质结构形态设计为内凹形结构，包括盒体与底板；
5、所述外壳组件的段截面形状为矩形，具有更强的碰撞性能；
6、所述外壳组件在四周外表面均布设置了诱导性凸起，能够正确引导碰撞模型的变形情况；
7、所述具有厚度梯度的npr内芯由三种不同厚度的npr基本层沿纵向组合，分别为前npr基本层、中npr基本层、后npr基本层；同一npr基本层的单胞结构相同，不同npr基本层的单胞结构不相同，表现为单胞厚度不同；所述单胞为负泊松比结构单胞。
8、进一步地，所述外壳组件在外表面沿纵向均布设置有几条诱导性凸起，每条诱导性凸起的形状为长条形，诱导性凸起的长度方向沿外壳组件的横向设置，中间部位的一条诱导性凸起位于吸能盒的最小截面处。
9、进一步地，所述诱导性凸起是由外壳组件本体经过变形加工而成的，或者，是另行焊接于外壳组件表面的。
10、进一步地，各所述npr基本层是首先由负泊松比结构单胞沿x轴方向阵列得到一层连续的多胞结构作为初始结构，其次将初始结构绕x轴作90°旋转变化得到旋转结构，最后将旋转结构与初始结构作为组合沿y、z两个方向进行阵列变化而得到。
11、进一步地，所述负泊松比结构单胞是一种内凹六边形结构，是在平行四边形结构的基础上，将其中的两个对边相对内折，另两个对边保持平行而成；所述负泊松比结构单胞有五个微观尺寸参数，分别为：胞长l，高度h，厚度ti，i＝1，2，3，分别表示前npr基本层，中npr基本层，后npr基本层，壁宽w，斜边与直边的夹角α。
12、除此之外，本专利技术还提供了一种基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒的优化方法，具体步骤如下：
13、(1)选取外壳厚度t和负泊松比结构单胞厚度ti(i＝1,2,3，分别代表三种npr基本层)作为多目标优化的设计变量z＝(t，t1，t2，t3)，采用t和ti的变化范围为尺寸约束；优化目标为比吸能esea和平均碰撞力fav；多目标优化的性能约束条件为压缩位移s、峰值碰撞力fmax和质量m；
14、(2)采用最优拉丁超立方设计(optimal latin hypercube design，opt lhd)作为本次多目标优化的试验设计方法，利用opt lhd在根据步骤(1)确定设计变量的变化范围内选取样本；
15、(3)通过步骤(2)利用的试验设计方法得到m组采样点，依次建立各采样点的有限元碰撞模型，采用ls-dyna在每一组采样点处模拟采样点之间的碰撞计算，并记录有效的计算结果，有效数据为mv组；
16、(4)根据步骤(3)的仿真数据利用响应面法分别得到比吸能esea、平均碰撞力fav、压缩位移s、峰值碰撞力fmax和质量m的二阶多项式响应面模型；
17、(5)评估步骤(4)的响应面模型的预测能力，若合格则进入步骤(6)；若不合格则返回步骤(2)，修改后重新建模；采用均方根误差rmse以及复相关系数r2对响应面模型预测能力进行评估；
18、(6)将步骤(1)提出的尺寸约束和性能约束合并组成联合约束条件，得到车辆碰撞吸能盒多目标优化的数学模型；
19、(7)利用nsga-ii算法对步骤(6)多目标优化的数学模型进行优化，得出满意解x1；
20、(8)若结果不收敛则对优化模型进行修改返回步骤(4)重新计算；若结果收敛，则直接输出该解作为最终的优化结果。
21、进一步地，所述步骤(4)中模型统一表达式为：
22、
23、式中，为原始响应；t是由设计变量组成的向量；xi和xj是二阶多项式响应面模型的输入；α0、αi、αii和αij是二阶多项式响应面模型的未定系数，通过将有限元计算结果代入到响应面模型中求得。
24、进一步地，所述步骤(5)中的响应面模型预测能力评估指标为：
25、均方根误差rmse又称为标准误差，用来衡量二者之间的偏差，其值越小越好，表达式如下所示：
26、
27、式中，n是样本点数；p是多项式的项；j表示第j个样本点；fj是第j个样本点的有限元仿真结果；fj′是第j个样本点响应面模型的计算值；
28、r2是评价响应面函数对实验样本拟合精度的指标，r2越接近于1，表明误差值越小，表达式如下所示：
29、...
【技术保护点】
1.一种基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，包括：外壳组件和具有厚度梯度的NPR内芯；
2.根据权利要求1所述的基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，所述外壳组件在外表面沿纵向均布设置有几条诱导性凸起，每条诱导性凸起的形状为长条形，诱导性凸起的长度方向沿外壳组件的横向设置，中间部位的一条诱导性凸起位于吸能盒的最小截面处。
3.根据权利要求2所述的基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，所述诱导性凸起是由外壳组件本体经过变形加工而成的，或者，是另行焊接于外壳组件表面的。
4.根据权利要求1所述的基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，各所述NPR基本层是首先由负泊松比结构单胞沿X轴方向阵列得到一层连续的多胞结构作为初始结构，其次将初始结构绕X轴作90°旋转变化得到旋转结构，最后将旋转结构与初始结构作为组合沿Y、Z两个方向进行阵列变化而得到。
5.根据权利要求1或4所述的基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，所述负泊松比结构单胞是一种内凹六边形结构，是在平行四边形结构的基础上，将
6.一种基于权利要求1-5任一项所述吸能盒结构的优化方法，其特征在于，包含以下步骤：
7.根据权利要求6所述的优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中二阶多项式响应面模型为：
8.根据权利要求7所述的优化方法，其特征在于，
9.根据权利要求7所述的优化方法，其特征在于，
10.根据权利要求7所述的优化方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，包括：外壳组件和具有厚度梯度的npr内芯；
2.根据权利要求1所述的基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，所述外壳组件在外表面沿纵向均布设置有几条诱导性凸起，每条诱导性凸起的形状为长条形，诱导性凸起的长度方向沿外壳组件的横向设置，中间部位的一条诱导性凸起位于吸能盒的最小截面处。
3.根据权利要求2所述的基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，所述诱导性凸起是由外壳组件本体经过变形加工而成的，或者，是另行焊接于外壳组件表面的。
4.根据权利要求1所述的基于负泊松比仿生结构的车辆碰撞吸能盒，其特征在于，各所述npr基本层是首先由负泊松比结构单胞沿x轴方向阵列得到一层连续的多胞结构作为初始结构，...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘中华，张乐，曹凯，叶贝亚，时洪飞，钟钰铭，
申请(专利权)人：长春汽车检测中心有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。