一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮及其设计方法与流程

本发明属于负泊松比结构设计及非充气车轮设计技术领域，具体涉及一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮及其设计方法。

背景技术：

由于汽车爆胎对于汽车的安全性产生非常重要的影响，因此非充气轮胎具有广泛的应用前景。非充气轮胎一般采取实心轮胎和内置支撑体轮胎等两种不同的方式。实心轮胎具有承载能力强、环境适应强和耐久性好等优点，但是存在着重量太重、不易散热和油耗较高等缺点，从而影响其在非充气轮胎中的推广使用。内置支撑体轮胎一般在充气轮胎中内置金属和橡胶支撑体，轮胎由于爆胎导致气压迅速降低后支撑体能较好的支撑起整车的重量，但是存在着重量较大且不易降低和生产成本太高的问题。

负泊松比结构在收到压缩时在垂直于外力方向上产生收缩，在受到拉伸时在垂直于外力的方向上产生膨胀，由于这种新型特性，负泊松比材料的剪切模量和压痕阻力等力学性能得到了加强，且负泊松比结构在受到压缩的区域表现出刚度增强特性，这些特性使其受到了广泛的关注。专利“201110401962.4”提出了一种基于负泊松比结构的超轻重量非充气轮胎结构，改方法大大的减少了非充气轮胎的重量，能显著减少配置非充气轮胎的汽车的重量和油耗水平。尽管该负泊松比结构非充气轮胎在轻量化和应用方面取得了显著的进步，但仍具有急需改进的方面，如负泊松比结构容易在基本单元的交接处产生应力集中从而导致非充气轮胎的耐久性和可靠性较差，将较大的影响其在实际使用过程中的表现，同时非充气轮胎结构过于复杂，生产工艺复杂且成本较高，因此一种耐久性和可靠性等性能更优、结构和生产工艺简单的非充气轮胎显得非常关键。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决了现有技术中传统非充气支撑结构过重导致整车操纵稳定性差及油耗大等问题和克服了一般负泊松比结构非充气支撑体容易在基本单元的交接处产生应力集中从而导致非充气轮胎的耐久性及可靠性较差等不足，提出了一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮及其设计方法，可广泛应用于不同用途汽车的非充气轮胎设计中。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮，包括车轮外胎、仿生负泊松比结构弹性支撑体、轮辐、内轮辋和外轮辋，所述仿生负泊松比结构弹性支撑体呈空心圆柱体结构，内部包括若干弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁，所述弹性支撑胞壁沿轮胎径向方向均匀间隔对称设置，第n+1层的弹性支撑胞壁的相邻间距为第n层的弹性支撑胞壁的相邻间距的一半，其中n≥1；所述弹性连接胞壁呈圆环状，连接相邻的两个弹性支撑胞壁，相邻的两个弹性支撑胞壁之间的弹性连接胞壁沿中线下凹，弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁组成环形对称的具有内凹形状的负泊松比结构，且内凹型负泊松比结构沿轮胎径向方向向外呈发散状层层排列，靠近内轮辋的内凹型负泊松比结构尺寸大于靠近外轮辋的内凹型负泊松比结构；

仿生负泊松比结构弹性支撑体在里面和外面分别与内轮辋和外轮辋连接，内轮辋同时与轮辐相连，外轮辋与车轮外胎连接在一起。

进一步的，弹性支撑胞壁沿周向均匀间隔对称设置，弹性连接胞壁交叉穿过弹性支撑胞壁连接；所述弹性连接胞壁沿轮胎径向方向向外呈发散状层层排列，每层的高度相同，或者相继递增或者递减。

进一步的，弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁的基体材料为铝、钢、合金、陶瓷、橡胶和树脂塑料中的任意一种。

进一步的，仿生负泊松比结构弹性支撑体采用包括焊接、3d打印和粘接在内的制造工艺进行生产。

上述的仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的设计方法，结构设计过程中首先根据负泊松比结构的形状特征建立其参数化模型，然后利用拉丁超立方实验设计方法和响应面模型建立负泊松比结构的响应面模型，分别利用多目标粒子群优化算法在外循环进行多目标优化设计和径向基重要性抽样技术在内循环进行可靠性分析，从而获取仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的最优化可靠性设计解；具体包括以下步骤：

1)建立仿生负泊松比结构弹性支撑体的参数化模型；

2)建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的混合分析模型；

3)建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的多工况多目标可靠性分析模型；

4)建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的近似分析模型；

5)对仿生负泊松比结构非充气弹性车轮进行多目标可靠性优化设计；

6)选取仿生负泊松比结构非充气弹性车轮最优多目标可靠性设计解，在第5)步中获得了多目标可靠性优化设计解集，因此采用最优解满意度函数s来选取仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的最优多目标可靠性设计解，最优解满意度函数如下所示：

其中，obji为多目标优化设计中的第i个设计目标，t为多目标优化设计的目标总数，obji,max为多目标可靠性解集中第i个设计目标里的最大值，obji,min为多目标可靠性解集中第个设计目标里的最小值。

进一步的，步骤1)建立仿生负泊松比结构弹性支撑体的参数化模型的具体方法为：选取负泊松比结构层数、负泊松比结构基本单元数、弹性支撑胞壁厚度、弹性支撑胞壁长度、弹性支撑胞壁宽度、弹性连接胞壁厚度、弹性连接胞壁长度、弹性连接胞壁宽度和弹性支撑胞壁与弹性连接胞壁的角度作为设计参数，在matlab中利用参数之间的关系生成仿生负泊松比结构弹性支撑体的参数化模型。

进一步的，步骤2)建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的混合分析模型的具体方法为：在有限元前处理软件中分别建立车轮外胎、轮辐、内轮辋和外轮辋的有限元分析模型，然后将第1)步建立的仿生负泊松比结构弹性支撑体参数化模型与其合并，从而建立可用于不同工况有限元分析的仿生负泊松比结构非充气弹性车轮混合分析模型。

进一步的，步骤3)建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的近似分析模型的具体方法为：首先应用拉丁超立方实验设计方法来生成试验设计所需的样本点，为考虑设计参数的不确定性的影响，外循环数组生成m个样本点，内循环数组生成n个样本点，这样通过分别结合内外循环数组的样本点将会产生m*n个样本点；然后利用响应面模型方法建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的有限元近似分析模型。

进一步的，步骤4)建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的多工况多目标可靠性分析模型的具体方法为：针对仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的轻量化、耐久性和平顺性等三个不同的设计目标，综合考虑仿生负泊松比结构非充气弹性车轮应用对象在实际使用过程中包括怠速、加速和减速在内的最常见的几种典型工况，并分析结构设计过程中不同因素的约束因素，从而建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的多工况多目标可靠性分析模型。

进一步的，步骤5)对仿生负泊松比结构非充气弹性车轮进行多目标可靠性优化设计的具体方法为：通过利用多目标粒子群优化算法在外循环进行仿生负泊松比结构非充气弹性车轮多目标优化设计，并利用径向基重要性抽样技术在内循环进行结构设计的可靠性分析，从而可以获得仿生负泊松比结构非充气弹性车轮结构设计的多目标可靠性优化设计解集。

有益效果：本发明提供的一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮及其设计方法，与现有技术相比，具有以下优势：

1、通过借鉴骨骼肌的仿生学原理提出了一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮，通过弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁组成环形对称的具有一定内凹形状的负泊松比结构支撑体，使非充气支撑体具有超轻的结构从而提高整体的操纵稳定性和降低油耗，并且通过结构的仿生设计，使仿生负泊松比结构支撑体具有更好的韧性和耐久性；

2、提出了仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的多目标可靠性优化设计方法，通过综合应用仿生负泊松比结构非充气弹性车轮参数化模型、拉丁超立方采样方法、响应面近似模型、径向基重要性抽样技术和多目标粒子群优化算法并根据不同使用工况对负泊松比结构参数进行优化，从而获取仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的最优化可靠性设计解，从而进一步加强轻量化和耐久性等性能。

附图说明

图1是本发明仿生负泊松比结构非充气弹性车轮示意图。

图2是仿生负泊松比结构弹性支撑体的示意图。

图3是本发明的多目标可靠性优化设计原理图。

图1中，1为仿生负泊松比结构弹性支撑体，2为内轮辋，3为外轮辋，4为轮辐，5为车轮外胎，图2中6为弹性支撑胞壁，7为弹性连接胞壁。

具体实施方式

本发明为一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮及其设计方法，负泊松比结构非充气弹性车轮系统由车轮外胎、负泊松比结构弹性支撑体、轮辐、内轮辋和外轮辋组成。根据骨骼肌对负泊松比结构形状进行设计，负泊松比结构填充结构包括弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁，其中弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁组成环形对称的具有一定内凹形状的负泊松比结构。类似于骨骼，弹性支撑胞壁使负泊松比结构具有加好的刚度；类似于骨骼肌的肌腱，弹性连接胞壁使负泊松比结构具有更好的韧性和耐久性。结构设计过程中首先根据负泊松比结构的形状特征建立其参数化模型，然后利用拉丁超立方实验设计方法和响应面模型建立负泊松比结构的响应面模型，分别利用多目标粒子群优化算法在外循环进行多目标优化设计和径向基重要性抽样技术在内循环进行可靠性分析，从而获取仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的最优化可靠性设计解。本发明通过骨骼肌的仿生原理提出了一种环形对称的仿生负泊松比结构非充气弹性车轮，能够使汽车车轮在紧急状况时具有更好的刚度和耐久性，并根据不同的使用工况对负泊松比结构参数进行优化，从而进一步加强仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的性能。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例

根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1所示，本发明开发了一种仿生负泊松比结构非充气弹性车轮，包括车轮外胎、仿生负泊松比结构弹性支撑体、轮辐、内轮辋和外轮辋。如图2所示，仿生负泊松比结构弹性支撑体包括弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁，弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁组成环形对称的具有一定内凹形状的负泊松比结构，且内凹型负泊松比结构沿轮胎径向方向向外呈发散状层层排列，靠近内轮辋的内凹型负泊松比结构尺寸大于靠近外轮辋的内凹型负泊松比结构。仿生负泊松比结构弹性支撑体在里面和外面分别与内轮辋和外轮辋连接，内轮辋同时与轮辐相连，外轮辋与车轮外胎连接在一起。弹性支撑胞壁和弹性连接胞壁的基体材料可以是铝、钢、合金、陶瓷、橡胶和树脂塑料等不同的材质，设计过程中根据车型重量及工况进行选择。仿生负泊松比结构弹性支撑体可以采用焊接、3d打印和粘接等不同的制造工艺进行生产。

图3所示为本发明的设计方法流程图。

步骤1)：设计过程中首先建立仿生负泊松比结构弹性支撑体的参数化模型。仿生负泊松比结构弹性支撑体环形对称，因此在建立参数化模型时只需先建立一个基本单元的参数化模型，然后按照一定规则旋转一定角度即可生成整个负泊松比结构弹性支撑体的参数化模型。设计过程中，选取负泊松比结构层数、负泊松比结构基本单元数、弹性支撑胞壁厚度、弹性支撑胞壁长度、弹性支撑胞壁宽度、弹性连接胞壁厚度、弹性连接胞壁长度、弹性连接胞壁宽度和弹性支撑胞壁与弹性连接胞壁的角度作为设计参数，在matlab中利用参数之间的关系生成仿生负泊松比结构弹性支撑体的参数化模型。

步骤2)：在有限元前处理软件中分别建立车轮外胎、轮辐、内轮辋和外轮辋的有限元分析模型，然后将第1)步建立的仿生负泊松比结构弹性支撑体参数化模型与其合并，从而建立可用于不同工况有限元分析的仿生负泊松比结构非充气弹性车轮混合分析模型。

步骤3)：建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的近似分析模型。应用拉丁超立方实验设计方法来生成试验设计所需的样本点，为考虑设计参数的不确定性的影响，外循环数组生成150个样本点，内循环数组生成4个样本点，这样通过分别结合内外循环数组的样本点将会产生600个样本点。然后利用响应面模型方法建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的有限元近似分析模型，从而减小计算成本和提高计算效率。

步骤4)：建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的多工况多目标可靠性分析模型。针对仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的轻量化和耐久性等两个设计目标，综合考虑仿生负泊松比结构非充气弹性车轮应用对象在实际使用过程中最常见的几种典型工况，并分析结构设计过程中不同因素的约束因素，从而建立仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的多工况多目标可靠性分析模型。

步骤5)：对仿生负泊松比结构非充气弹性车轮进行多目标可靠性优化设计并选取最优多目标可靠性设计解。通过利用多目标粒子群优化算法在外循环进行仿生负泊松比结构非充气弹性车轮多目标优化设计，并利用径向基重要性抽样技术在内循环进行结构设计的可靠性分析，从而可以获得仿生负泊松比结构非充气弹性车轮结构设计的多目标可靠性优化设计解集。得到的多目标可靠性优化设计解集为38组，因此采用最优解满意度函数来选取仿生负泊松比结构非充气弹性车轮的最优多目标可靠性设计解：

其中，d为耐久性设计目标，用每组设计解对应的结构中的最大应力值来表示，dmin为212mpa,dmax为268mpa；m为轻量化设计目标，用每组设计解对应的结构的总重量来表示，mmin为5.61kg,mmax为7.24kg,最优设计解的d为234mpa，m为6.48kg，求得的优解满意度函数值为0.93。因为该组解得到的满意度函数值是所有设计解集中得到的满意度函数最小的，因为设计时采用该组多目标可靠性优化设计参数为最优解。

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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。