基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒及其多目标优化方法与流程

本发明属于汽车碰撞安全技术领域，尤其涉及一种基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒及其多目标优化设计。

背景技术：

在大部分的交通事故中，都要涉及汽车前部的碰撞。汽车发生正面碰撞时，为缓和冲击以减少乘员伤害，以及减少前纵梁变形程度从而保护汽车部件以减少维修费用，通常在汽车前保横梁与前纵梁之间安装吸能盒，当碰撞冲击发生时，吸能盒开始压溃变形，在短时间内吸收大部分的能量，从而实现对乘员安全的保护及降低维修费用。

吸能盒在碰撞中发挥作用的程度取决于其外壳结构及填充内芯的合理设计与选择。

在现有的对吸能盒的设计优化中，基本都是针对传统材料以及外壳结构的改进。例如，中国专利CN104590177A针对吸能盒的外部结构进行了改进，并使用碳纤维材料等复合材料来实现轻量化。但因其采用各种复合材料，成本偏高，且其强度无法保证。

另外，在填充物方面，现代汽车多采用传统材料作为汽车吸能盒的填充材料，这类材料的泊松比多为正。例如，中国专利CN104590178A采用泡沫铝合金填充物，但其因为是正泊松比结构，在实际碰撞中无法将吸能盒全部功用发挥出来。

综上，现有的汽车吸能盒设计都各有不足之处，吸能效果也不够理想，而且在针对吸能盒的碰撞仿真中还未有完整的优化设计流程。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒及其多目标优化设计方法，将负泊松比结构应用到汽车吸能盒中，利用其优异的力学性能，使原有吸能盒的吸能效果得到大幅度提升，既提高了驾驶安全性，又节省了维修成本；利用哈默斯雷实验设计、响应面模型、帝国竞争算法，实现了全局最优的较为精确的结果。应用此套流程，可为工业生产节省宝贵的开发时间。

本发明采用以下技术方案：一种基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒，包含负泊松比吸能内芯、吸能盒外壳和前保横梁；所述负泊松比吸能内芯的材料是铝合金，结构组成是以内凹六边形单胞三维扩展而来，具有负泊松比性能；所述吸能盒外壳为两端开口内部中空的筒型结构，截面为多边形；前端焊接在前保横梁上；后端有法兰，用螺栓与前纵梁固定连接；所述负泊松比吸能内芯与吸能盒外壳内表面粘接固定，负泊松比吸能内芯的长度与吸能盒外壳的长度相等，宽度和高度与相应方向的内表面凹槽最低点间的距离相等。

进一步的，所述吸能盒外壳表面有压溃诱导槽，用以引导压溃变形方向及位置；其中第一级压溃诱导槽为上表面两侧的切槽和在后表面的椭圆形凹槽，与吸能盒总长的比例均在黄金分割点0.618处；第二级压溃诱导槽为上表面的椭圆形凹槽，与吸能盒从上表面两侧的切槽至后端剩余部分的比例在黄金分割点0.618处。

进一步的，所述吸能盒外壳的材料为铝合金，壁厚1.5-2.5mm。

进一步的，所述负泊松比吸能内芯是由高强度铝合金AlSi12通过快速成型技术制成。

本发明还提供一种基于所述基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒实现的多目标优化方法，具体步骤如下：

步骤1：利用CATIA建立参数化内凹六边形单胞并扩展为与吸能盒内壁尺寸相等的结构单元，在Hypermesh建立吸能盒外壳及前保横梁的有限元模型；

步骤2：以内凹六边形的单胞结构内夹角θ、单胞底边长度a、胞斜边长度b、胞壁厚度t作为设计变量，并初步确定这四个设计变量的取值范围；

55°≤θ≤75°；12≤a≤16；4≤b≤6；0.6≤t≤1.2

并以此取值范围作为下一步优化的约束条件；

基于各自的取值范围，利用哈默斯雷实验设计方法生成100组实验点；

步骤3：对所生成的100组实验点分别利用参数化模型形成100个吸能盒填充内芯，导入Hypermesh中进行有限元处理并拓展填充到吸能盒外壳中，增加约束，并与前保横梁形成组件；

步骤4：基于LS-dyna建立100％正碰和40％正碰的碰撞模型并进行碰撞仿真，得到4种优化目标变量的100组仿真结果；以100％正碰的压溃位移S₁和平均碰撞力F₁、40％偏碰的压溃位移S₂和平均碰撞力F₂作为优化目标变量，以碰撞力峰值F_m为约束条件，根据仿真结果形成四个目标变量及一个约束目标变量与四个设计变量间的相关数据表；利用isight里的响应面模块生成形如

的5个二次响应面模型：

其中f为四个目标变量S₁、F₁、S₂、F₂；β₀为常数项待定系数；β_i为第i个一次项待定系数；β_ij为第ij个二次项待定系数；n为因素个数,此处为4；x_i、x_j(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)为尺寸参数即设计变量θ、a、b、t；

步骤5：根据多目标优化思想，针对以上四个优化目标函数构建多目标优化函数：

其中约束函数g为碰撞力峰值满足碰撞法规要求的160Mpa的上限，四个设计变量应在各自的取值范围内；

其中多目标优化函数采用权重优化函数：

式中S₀为压溃位移的归一化底数，F₀为平均碰撞力的归一化底数，取值为对标吸能盒的压溃位移和平均碰撞力；

根据道路正面碰撞事故的两类碰撞的概率比，100％碰撞/40％碰撞＝7/5，以及碰撞中对平均碰撞力和压溃位移的不同要求，设置综合权重系数为

ω₁＝0.18，ω₂＝0.40，ω₃＝0.13，ω₄＝0.29；

步骤6：利用帝国竞争算法对次方案的多目标问题进行优化：

(1)初始帝国建立：

初始设置有100个国家，即形成100个以四维设计变量为基础的数组：

Country＝{X}＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T

式中x_i，i＝1，2，3，4为尺寸参数，即设计变量θ、a、b、t；

每个国家的成本为Cost＝f(Country)＝f(x₁,x₂,x₃,x₄)，即优化目标函数F；成本越小，即F越小，国家竞争力越强，对初始国家进行排序后，成本较低的前几个国家成为帝国，其余成为殖民地；第i个帝国的规范化竞争力为

(2)同化：

每个殖民地通过一个均匀随机数d来控制殖民地向帝国移动的距离；均匀分布的随机数；在此d是殖民地与帝国之间的距离；设定每块殖民地移动的距离s服从均匀分布s～U(0，α×d_d)，α＞1，帝国周围的殖民地逐渐向帝国靠近；

(3)竞争：

第i个帝国的总规范化成本为

其中T.M_n为第i个帝国的总成本，为其帝国自有成本及占有殖民地的成本的加权叠加；

在竞争中，每个帝国都有可能占据最弱帝国中的最弱殖民地；从总权利最弱的帝国中挑选出一个弱小的殖民地，按照一定概率分配给其他帝国；

(4)合并收敛：

经过帝国之间的相互竞争之后，权利较小的帝国所拥有的殖民地会被权利比其强大的帝国侵占，当殖民地全部被占领后则该帝国就会自动灭亡；迭代N次后，当仅剩一个帝国统领所有殖民地时，算法结束；

最终得到优化后的四个设计变量参数的最优解。

本发明采用以上方案与现有方案相比，具有以下效果：

1、本发明将负泊松比结构应用到汽车吸能盒中，利用其优异的力学性能，使原有吸能盒的吸能效果得到大幅度提升，既提高了驾驶安全性，又节省了维修成本；

2、本实施例利用负泊松比材料良好的力学性能，将其应用在吸能盒中，仿真结果表明，比原有吸能盒结构的吸能时间减少，碰撞峰值力下降，压溃位移也有所减少，给碰撞后的逃生提供了更大的空间。

3、本发明应用铝合金材料构建组件，在保证强度的条件下，实现了轻量化，节省燃油；同时又因为铝合金良好的可重复使用性，节约了社会成本。

4、本发明提出的基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒的多目标优化设计方法，利用哈默斯雷实验设计、响应面模型、帝国竞争算法，实现了全局最优的较为精确的结果。应用此套流程，可为工业生产节省宝贵的开发时间。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的吸能盒外壳及内芯组合示意图；

图3是本发明的负泊松比内芯单胞及拓展示意图；

图4、图5、图6是本发明的一例吸能盒外壳三视图；

图7是基于本发明结构的优化方法流程图。

图中，1-前保横梁，2-吸能盒外壳，3-负泊松比吸能内芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例一：基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒

如图1和图2所示，基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒，包括前保横梁1，吸能盒外壳2、负泊松比吸能内芯3。

其中，所述吸能盒外壳2前端焊接在前保横梁1上；后端有法兰，通过固定螺栓固定连接在前纵梁上。

如图3，所述负泊松比吸能内芯3是以内凹六边形为单胞基体扩展而来的三维结构，利用高强度铝合金通过快速成型技术制成，通过粘接的方式与吸能盒外壳2的内表面连接，填充在其内的空腔里。负泊松比吸能内芯3的长度与吸能盒外壳2的长度相等，宽度和高度与相应方向的内表面凹槽最低点间的距离相等。

如图4，所述吸能盒外壳2表面有压溃诱导槽，吸能盒的变形会根据诱导槽的诱导实现对吸能盒变形位置及方向的可控，从而达到更佳的吸能效果。用以引导压溃变形方向及位置；其中第一级压溃槽为上表面两侧的切槽和在后表面的椭圆形凹槽，L₂/L₃＝0.618；第二级压溃槽为上表面的椭圆形凹槽，(L₂-L₁)/L₂＝0.618；L₁是第二道压溃槽与吸能盒底端的距离，L₂是第一道压溃槽与吸能盒底端的距离，L₃是吸能盒总长。

本实施例利用负泊松比材料良好的力学性能，将其应用在吸能盒中，仿真结果表明，比原有吸能盒结构的吸能时间减少，碰撞峰值力下降，压溃位移也有所减少，给碰撞后的逃生提供了更大的空间。

实施例二：基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒的多目标优化设计方法

本实施例中，建模软件采用CATIA和Hypermesh，仿真软件为LS-dyna求解器，优化软件为Isight和Matlab。

图5为基于本发明结构的优化方法流程图，具体步骤如下：

步骤1：利用CATIA建立参数化内凹六边形单胞并扩展为合适的结构单元。在Hypermesh建立吸能盒外壳及前保横梁的有限元模型。

步骤2：以内凹六边形的单胞结构内夹角θ、单胞底边长度a、胞斜边长度b、胞壁厚度t作为设计变量，并初步确定这四个设计变量的取值范围。

55°≤θ≤75°；12≤a≤16；4≤b≤6；0.6≤t≤1.2

并以此取值范围作为下一步优化的约束条件。

基于各自的取值范围，利用哈默斯雷实验设计方法生成100组实验点。

步骤3：对所生成的100组实验点分别利用参数化模型形成100个吸能盒填充内芯，导入Hypermesh中进行有限元处理并拓展填充到吸能盒外壳中，增加约束，并与前保横梁形成组件。

步骤4：基于LS-dyna建立100％正碰和40％正碰的碰撞模型并进行碰撞仿真，得到4种优化目标变量的100组仿真结果。以100％正碰的压溃位移S₁和平均碰撞力F₁、40％偏碰的压溃位移S₂和平均碰撞力F₂作为优化目标变量，以碰撞力峰值F_m为约束条件，根据仿真结果形成四个目标变量及一个约束目标变量与四个设计变量间的相关数据表。利用isight里的响应面模块生成形如

的5个二次响应面模型：

其中f为四个目标变量S₁、F₁、S₂、F₂；β₀为常数项待定系数；β_i为第i个一次项待定系数；β_ij为第ij个二次项待定系数；n为因素个数,此处为4；x_i、x_j(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)为尺寸参数即设计变量θ、a、b、t。

步骤5：根据多目标优化思想，针对以上四个优化目标函数构建多目标优化函数：

其中约束函数g为碰撞力峰值满足碰撞法规要求的160Mpa的上限，四个设计变量应在各自的取值范围内。

其中多目标优化函数采用权重优化函数：

式中S₀为压溃位移的归一化底数，F₀为平均碰撞力的归一化底数，取值为对标吸能盒的压溃位移和平均碰撞力。

根据道路正面碰撞事故的两类碰撞的概率比(100％碰撞/40％碰撞＝7/5)，以及碰撞中对平均碰撞力和压溃位移的不同要求(此处权重设置为7/3)，设置综合权重系数为

ω₁＝0.18，ω₂＝0.40，ω₃＝0.13，ω₄＝0.29。

步骤6：利用帝国竞争算法对次方案的多目标问题进行优化：

(1)初始帝国建立：

初始设置有100个国家，即形成100个以四维设计变量为基础的数组：

Country＝{X}＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T

式中x_i(i＝1，2，3，4)为尺寸参数，即设计变量θ、a、b、t。

每个国家的成本为Cost＝f(Country)＝f(x₁,x₂,x₃,x₄)，即优化目标函数F。成本越小，即F越小，国家竞争力越强，对初始国家进行排序后，成本较低的前几个国家成为帝国，其余成为殖民地。第i个帝国的规范化竞争力为

(2)同化：

每个殖民地通过一个均匀随机数d来控制殖民地向帝国移动的距离。均匀分布的随机数。在此d是殖民地与帝国之间的距离。设定每块殖民地移动的距离s服从均匀分布s～U(0，α×d_d)，α＞1，帝国周围的殖民地逐渐向帝国靠近。

(3)竞争：

第i个帝国的总规范化成本为

其中T.M_n为第i个帝国的总成本，为其帝国自有成本及占有殖民地的成本的加权叠加。

在竞争中，每个帝国都有可能占据最弱帝国中的最弱殖民地。从总权利最弱的帝国中挑选出一个弱小的殖民地，按照一定概率分配给其他帝国。

(4)合并收敛。

经过帝国之间的相互竞争之后，权利较小的帝国所拥有的殖民地会被权利比其强大的帝国侵占，当殖民地全部被占领后则该帝国就会自动灭亡。迭代N次后，当仅剩一个帝国统领所有殖民地时，算法结束。

最终得到优化后的四个设计变量参数的最优解。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。