一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架及设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架及设计方法，该汽车车架包括保险杠、大梁以及横梁，其中横梁与左右纵大梁相连接，并依次排布在前后保险杠与左右纵大梁所围成的车架间；在前保险杠以及后保险杠的内部安装有负泊松比结构填充内芯；在右纵大梁以及左纵大梁前后段的内部分别安装负泊松比结构填充内芯；利用本发明的设计方法的汽车车架，在正面碰撞和后面碰撞中均可以利用负泊松比结构的特殊变形方式和能量吸收特性，从而提高汽车车架的能量吸收能力，更好的保护乘员和提高汽车的耐撞性。
【专利说明】
一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架及设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于汽车底盘系统领域，特别是一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架 及设计方法。
【背景技术】
[0002] 在汽车在发生碰撞过程中，汽车车架的前后部件最先与外界发生接触，其中车架 的能量吸收能力很大程度上决定整车的耐撞能力，耐撞能力强对乘员及汽车关键零部件的 保护具有重要影响。同时，汽车车架是载重车辆的重要承载件，汽车行驶过程中需要承载车 辆自重、乘员和货物的重量，同时还需要承受不同的力和力矩，车架性能的好坏对整车的平 顺性、耐久性和振动噪声等亦具有重要的影响。因此车架设计过程中在保证其他性能不变 的情况下同时尽可能的提高其能量吸收能力，这对汽车底盘系统领域的发展具有重要意 义。
[0003] 为保证汽车的刚度和耐久性等性能，传统汽车车架具有刚度大的特质，在碰撞过 程中不容易发生压溃变形来吸收碰撞能量，因此大部分碰撞能量通过车架传递给其他零部 件和乘员，致使乘员在碰撞过程中容易受到严重的伤害。为使车架在碰撞过程中吸收更多 的碰撞能量，从而降低乘员在碰撞过程中受伤害，不同大小和位置的车架诱导槽应用到汽 车车架设计中。这种设计方式使车架在碰撞过程中按照设定的方式进行变形，既能在碰撞 过程中显著提高车架的能量吸收能力又能保持较大的刚度，同时在汽车变形后较好的保护 乘员，使汽车耐撞性能得到了显著提升，然而由于变形区域设计空间较小的限制，车架诱导 槽提高车架的能量吸收能力有限。为规避这一限制，泡沫铝等蜂窝结构随后被应用到车架 设计中来进一步提高车架的能量吸收性能，尽管车架在碰撞过程中的能量吸收能力得到了 一定提升，但是随着汽车行驶速度的越来越高，泡沫铝填充的汽车车架能量吸收提高有限， 仍不能满足碰撞设计要求，需要进一步提高其吸力储能防撞能力。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术中存在的车架吸力储能防撞能力有限的不足，提出了一种吸 力储能防撞负泊松比结构汽车车架及设计方法，从而提高了提高汽车车架的吸力储能防撞 能力，更好的保护乘员和提高汽车的耐撞性。
[0005] 本发明采用如下技术方案，一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架，包括保险 杠、大梁以及横梁，其中横梁与左右纵大梁相连接，并依次排布在前后保险杠与左右纵大梁 所围成的车架间；所述的前保险杠内部安装的是前保险杠负泊松比结构填充内芯，后保险 杠内部安装的是后保险杠负泊松比结构填充内芯;右纵大梁前段安装的是右纵大梁前负泊 松比结构填充内芯，右纵大梁后段安装的是右纵大梁后负泊松比结构填充内芯，左纵大梁 前段安装的是左纵大梁前负泊松比结构填充内芯，左纵大梁后段安装的是左纵大梁后负泊 松比结构填充内芯。
[0006] 进一步，所述的横梁包括第一横梁、第二横梁、第三横梁以及第四横梁。
[0007] 本发明还公开了一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架的设计方法，步骤如 下，
[0008] 1)首先在Matlab软件中建立左纵大梁前负泊松比结构填充内芯、左纵大梁后负泊 松比结构填充内芯、右纵大梁前负泊松比结构填充内芯、右纵大梁后负泊松比结构填充内 芯、前保险杠负泊松比结构填充内芯、后保险杠负泊松比结构填充内芯的参数化模型，通过 设计参数的更改可快速建立负泊松比结构填充内芯的有限元分析模型；
[0009] 2)在SFE-C0NCEPT软件中通过利用参数化模型知识库建立左纵大梁、右纵大梁、前 保险杠、后保险杠、第一横梁、第二横梁、第三横梁、第四横梁的全参数化模型；
[0010] 3)再利用网格自动生成技术快速建立左纵大梁、右纵大梁、前保险杠、后保险杠、 第一横梁、第二横梁、第三横梁、第四横梁的有限元模型，并将左纵大梁前负泊松比结构填 充内芯、左纵大梁后负泊松比结构填充内芯、右纵大梁前负泊松比结构填充内芯、右纵大梁 后负泊松比结构填充内芯、前保险杠负泊松比结构填充内芯、后保险杠负泊松比结构填充 内芯的有限元模型与其进行组装，从而建立吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架的有限元 模型，在车架纵梁和前后保险杠中使用负泊松比结构填充内芯，使其和传统汽车车架有效 结合从而设计出一种新的吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架，在汽车的正面碰撞或者后 面碰撞中均可以利用负泊松比结构的特殊变形方式和能量吸收特性，从而提高汽车车架的 能量吸收能力，更好的保护乘员和提高汽车的耐撞性。
[0011] 进一步，所述的步骤2)中的全参数化模型是利用参数化模型知识库建立，其中参 数化模型知识库包括参数化截面、参数化接头，设计过程中综合考虑大梁的总布置、设计参 数。
[0012] 本发明公开的一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架的设计方法，还包括如下 步骤，
[0013] 4)通过结合拉丁超立方采样方法、二阶多项式响应面模型方法和负泊松比结构汽 车车架的有限元模型建立负泊松比结构汽车车架的二阶多项式响应面模型，其中，建立二 阶多项式响应面模型所需的最少的试验设计点的个数K由负泊松比结构汽车车架的设计变 量个数确定，其中K=(n+l)*(n+2)/2,式中，η为负泊松比结构汽车车架设计变量的数量，同 时采用拉丁超立方采样方法以及二阶多项式响应面模型来建立车架的近似模型使建立近 似模型所需试验设计点更加均匀分布，从而提高近似模型的精度；
[0014] 5)之后对二阶多项式响应面模型的精度进行评价;如果都满足要求，则将近似模 型用于下一步的负泊松比结构汽车车架优化设计；如果不能满足要求，则返回上一步对近 似模型进行修正直至满足精度要求，通过应用平方相关系数R2、相对最大绝对误差RMAE和 相对平均绝对误差RAAE三种不同的方法进行评价，公式如下，
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] 式中，yi是响应的测定值，兔是响应的预测值，歹是响应测定值的平均值，q是
[0019] 误差分析中用于模型验证的试验点数；
[0020] 6)满足精度要求后，利用多目标粒子群算法针对不同的设计目标进行优化，获得 多目标设计解集，同时利用负泊松比结构汽车车架的全参数化模型根据优化解快速建立结 构的有限元模型，从而对优化解集进行分析和验证，这样的方法可实现不同多目标汽车车 架的快速优化设计和验证，通过车架厚度和负泊松比结构形状参数的优化最大程度的提高 汽车车架的吸力储能防撞能力。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明负泊松比结构汽车车架布置示意图。
[0022]图2是本发明的设计流程图。
[0023]其中1-前保险杠负泊松比结构填充内芯，2-前保险杠，3-右纵大梁前负泊松比结 构填充内芯，4-第一横梁，5-右纵大梁，6-第二横梁，7-第三横梁，8-第四横梁，9-右纵大梁 后负泊松比结构填充内芯，10-后保险杠，11-后保险杠负泊松比结构填充内芯，12-左纵大 梁后负泊松比结构填充内芯，13-左纵大梁，14-左纵大梁前负泊松比结构填充内芯。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步详细说明。
[0025] 如图1所示，本发明公开的一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架，包括前、后 保险杠、左、右纵大梁以及横梁，其中横梁包括第一横梁4、第二横梁6、第三横梁7以及第四 横梁8,横梁与左、右纵大梁相连接，并依次排布在前、后保险杠与左、右纵大梁所围成的车 架间；在前保险杠2以及后保险杠10的内部安装有负泊松比结构填充内芯;在右纵大梁5以 及左纵大梁13前后段的内部分别安装负泊松比结构填充内芯;具体为前保险杠负泊松比结 构填充内芯1安装在前保险杠2内，后保险杠负泊松比结构填充内芯11安装在后保险杠10 内；右纵大梁前负泊松比结构填充内芯3安装在右纵大梁5前段的内部，右纵大梁后负泊松 比结构填充内芯9分别安装在右纵大梁5后段的内部，左纵大梁前负泊松比结构填充内芯14 安装在左纵大梁13前段的内部，左纵大梁后负泊松比结构填充内芯12安装在左纵大梁13后 段的内部，其中负泊松比结构填充内芯由具有轴对称结构的负泊松比结构元胞组成，其元 胞由胞壁以及胞腔组成，胞壁分为上胞壁，中胞壁以及下胞壁。
[0026] 如图2所示，本发明所述的一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架的设计方法， 具体步骤如下：
[0027] 1)设置负泊松比结构元胞的上胞壁长度为12.7mm，厚度为1.2mm，宽度为1.5mm;中 胞壁长度为14.5mm，厚度为1.2mm，宽度为1.5mm;下胞壁长度为15.6mm，厚度为1.2mm，宽度 为1.5mm;上胞壁与中胞壁间的角度设计为55° ;中胞壁与下胞壁间的角度设计为125°，然后 在Matlab软件中建立左纵大梁前负泊松比结构填充内芯14、左纵大梁后负泊松比结构填充 内芯12、右纵大梁前负泊松比结构填充内芯3、右纵大梁后负泊松比结构填充内芯9、前保险 杠负泊松比结构填充内芯1、后保险杠负泊松比结构填充内芯11的参数化模型；
[0028] 2)利用参数化模型知识库，在SFE - CONCEPT软件中建立左纵大梁13、右纵大梁5、前 保险杠2、后保险杠10、第一横梁4、第二横梁6、第三横梁7、第四横梁8的全参数化模型，
[0029] 3)再利用网格自动生成技术快速建立左纵大梁13、右纵大梁5、前保险杠2、后保险 杠10、第一横梁4、第二横梁6、第三横梁7、第四横梁8的有限元模型，并将左纵大梁前负泊松 比结构填充内芯14、左纵大梁后负泊松比结构填充内芯12、右纵大梁前负泊松比结构填充 内芯3、右纵大梁后负泊松比结构填充内芯9、前保险杠负泊松比结构填充内芯1、后保险杠 负泊松比结构填充内芯11的有限元模型与其进行组装，从而建立吸力储能防撞负泊松比结 构汽车车架的有限元模型。
[0030] 为降低模型的计算量且尽可能的提高模型的准确性，通过结合拉丁超立方采样方 法、二阶多项式响应面模型方法和负泊松比结构汽车车架的有限元模型建立负泊松比结构 汽车车架的二阶多项式响应面模型，其中，建立二阶多项式响应面模型所需的最少的试验 设计点的个数K由负泊松比结构汽车车架的设计变量个数确定，其中K=(n+l)*(n+2)/2,式 中，η为负泊松比结构汽车车架设计变量的数量;其中，负泊松比结构汽车车架的设计变量 个数为12个，则建立二阶多项式响应面模型所需的最少的试验设计点的个数K可求得为91 个
[0031] 之后对二阶多项式响应面模型的精度进行评价，通过应用平方相关系数R2、相对 最大绝对误差RME和相对平均绝对误差RAAE三种不同的方法进行评价，公式如下，
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]根据公式所得的结果为：平方相关系数R2为99.05 %，相对最大绝对误差RMAE为 0.0512，相对平均绝对误差RAAE为0.0237，都满足要求，则将近似模型用于下一步的负泊松 比结构汽车车架优化设计
[0036] 利用多目标粒子群算法针对不同的设计目标进行优化，获得多目标设计解集，同 时利用负泊松比结构汽车车架的全参数化模型根据优化解快速建立结构的有限元模型，从 而对优化解集进行分析和验证，验证结构有效。
[0037] 本发明的应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本 技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些 改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架，包括前、后保险杠，左、右大梁以及横梁， 其特征在于，横梁与左、右纵大梁相连接，并依次排布在前、后保险杠与左、右纵大梁所围成 的车架间；前保险杠(2)内部安装前保险杠负泊松比结构填充内芯（1)，后保险杠（10)内部 安装后保险杠负泊松比结构填充内芯（11);右纵大梁(5)前段安装右纵大梁前负泊松比结 构填充内芯（3)，右纵大梁(5)后段安装右纵大梁后负泊松比结构填充内芯(9)，左纵大梁 (13)前段安装左纵大梁前负泊松比结构填充内芯（14)，左纵大梁（13)后段安装左纵大梁后 负泊松比结构填充内芯（12)。2. 根据权利要求1所述的吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架，其特征在于，横梁包括 第一横梁(4)、第二横梁(6)、第三横梁(7)以及第四横梁(8)。3. -种吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架的设计方法，其特征在于，步骤如下： 1) 首先在Matlab软件中建立左纵大梁前负泊松比结构填充内芯（14)、左纵大梁后负泊 松比结构填充内芯（12)、右纵大梁前负泊松比结构填充内芯(3)、右纵大梁后负泊松比结构 填充内芯(9)、前保险杠负泊松比结构填充内芯（1)、后保险杠负泊松比结构填充内芯（11) 的参数化模型； 2) 在SFE-⑶NCEPT软件中通过利用参数化模型知识库建立左纵大梁（13)、右纵大梁 (5)、前保险杠 (2)、后保险杠（10)、第一横梁(4)、第二横梁(6)、第三横梁(7)、第四横梁(8) 的全参数化模型； 3) 再利用网格自动生成技术快速建立左纵大梁（13)、右纵大梁(5)、前保险杠(2)、后保 险杠（10)、第一横梁(4)、第二横梁(6)、第三横梁(7)、第四横梁(8)的有限元模型，并将左纵 大梁前负泊松比结构填充内芯（14)、左纵大梁后负泊松比结构填充内芯（12)、右纵大梁前 负泊松比结构填充内芯(3)、右纵大梁后负泊松比结构填充内芯(9)、前保险杠负泊松比结 构填充内芯（1)、后保险杠负泊松比结构填充内芯（11)的有限元模型与其进行组装，从而建 立吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架的有限元模型。4. 根据权利要求3所述的吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架设计方法，其特征在于， 所述的步骤2)中的全参数化模型是利用参数化模型知识库建立，其中参数化模型知识库包 括参数化截面、参数化接头，设计过程中综合考虑大梁的总布置、设计参数。5. 根据权利要求3所述的吸力储能防撞负泊松比结构汽车车架设计方法，其特征在于， 还包括如下步骤： 4) 通过结合拉丁超立方采样方法、二阶多项式响应面模型方法和负泊松比结构汽车车 架的有限元模型建立负泊松比结构汽车车架的二阶多项式响应面模型，其中，建立二阶多 项式响应面模型所需的最少的试验设计点的个数K由负泊松比结构汽车车架的设计变量个 数确定，其中K = (n+1) *(n+2) /2，式中，n为负泊松比结构汽车车架设计变量的数量； 5) 之后对二阶多项式响应面模型的精度进行评价;如果都满足要求，则将近似模型用 于下一步的负泊松比结构汽车车架优化设计；如果不能满足要求，则返回上一步对近似模 型进行修正直至满足精度要求，通过应用平方相关系数R 2、相对最大绝对误差RMAE和相对 平均绝对误差RAAE三种不同的方法进行评价，公式如下，式中，7:是响应的测定值，灸是响应的预测值，歹是响应测定值的平均值，q是误差分析中 用于模型验证的试验点数； 6)满足精度要求后，利用多目标粒子群算法针对不同的设计目标进行优化，获得多目 标设计解集，同时利用负泊松比结构汽车车架的全参数化模型根据优化解快速建立结构的 有限元模型，从而对优化解集进行分析和验证。
【文档编号】G06F17/50GK106055849SQ201610561198
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】周冠, 赵万忠, 王春燕
【申请人】南京航空航天大学