一种负泊松比结构转向管柱及其设计方法与流程

本发明涉及汽车转向系统技术领域，其特别是有关于一种负泊松比结构转向管柱及其设计方法。

背景技术：

汽车发生正面碰撞时，位于汽车前部的包含转向管柱和方向盘在内的转向系统要向后即驾驶员方向运动，而驾驶员由于惯性的影响会产生向前的运动，从而驾驶员很容易受到方向盘的伤害，方向盘对驾驶员胸腹部的撞击为汽车正面碰撞交通事故中非常常见的一种损伤类型。碰撞接触过程中转向管柱需要通过吸收能量以防止超出人体承受能力的碰撞力伤害驾驶员。

传统的转向管柱结构在碰撞过程中方向盘向上部及后部移动，移动位移量较大，容易对人体造成较大伤害。吸能式转向管柱能更好的吸收碰撞过程中的能量，缓解方向盘对驾驶员的冲击。例如中国发明专利申请公开说明书CN101254794A、CN101570213A等分别公开了一种吸能式汽车转向管柱，能够有效地减小方向盘的位移量,提高车辆的被动安全性。通常，吸能汽车转向管柱主要通过转向轴吸能、套筒总成吸能和安装支架总成吸能三个方面实现吸能。尽管通过结构的合理设计和变形能够有效的减轻驾驶员在汽车发生碰撞时的伤害，但是存在着碰撞过程吸收的能量有限，变形吸能机构复杂，结构的可靠性降低和成本较高等不足。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种负泊松比结构转向管柱及其设计优化方法，能够克服现有技术中转向管柱在汽车碰撞过程中吸收的能量有限、变形吸能机构复杂、结构的可靠性降低和成本较高等不足。

为达上述目的，本发明提出一种负泊松比结构转向管柱，包括：上管柱壳体；下管柱壳体，连接上述上管柱壳体；负泊松比结构填充内芯，同时设置在上管柱壳体和上述下管柱壳体的内部；转向管柱安装支架，用于固定至车身；转向管柱上支架，设置在上管柱壳体和转向管柱安装支架之间，用于承载上管柱壳体；转向管柱下支架，设置在下管柱壳体和转向管柱安装支架之间，用于承载下管柱壳体。

进一步地，转向管柱安装支架还包括转向管柱安装支架加强板，连接至车身。

本发明的另一方面还提出一种负泊松比结构转向管柱的设计方法，包括：

1)根据转向管柱的形状特征，确定负泊松比结构填充内芯在X、Y、Z三个方向上的单元数，同时根据负泊松比结构的基本组成单元的设计参数关系，在Matlab中建立负泊松比结构填充内芯的参数化模型，通过更改设计参数来实现模型的建立；

2)利用拉丁超立方采样方法生成样本点，然后基于负泊松比结构填充内芯的参数化模型求取响应值，从而建立初始近似模型；

3)获取负泊松比结构填充内芯代理模型计算样本点并根据重要性将样本点进行分组，分成七组；

4)根据负泊松比结构填充内芯代理模型计算分组后的各个样本点组中样本点的重要性及每个样本点组中样本点的数量多少，对样本点组赋予权值：

式(2)中，n_i表示第i组代理模型计算样本点组中样本点的个数；j表示某一特定样本点共在j个近似模型中出现的次数；K是代理模型计算样本点数量的n倍；

根据计算的权值，在各负泊松比结构填充内芯代理模型计算样本点组中选择新的有限元模型计算样本点，七组样本组中选择的样本点数量分别为：

k_i＝round(ω_i×m),i＝1,2,...,7 (4)

式中，m为选择的计算样本点的个数；

5)检验所选样本点是否达到最优：在选出新的有限元模型计算样本点后根据设计最优条件来验证上一步所选样本点是否达到最优，其中，满足负泊松比结构填充内芯设计最优的终止条件为：5个最大函数值的差值可以忽略不计时或者

其中，f_j是第j个最小的函数值，ε是初始指定的一个很小的常值；

如果上述所选的样本点不能满足终止条件，则将新产生的有限元模型计算样本点和先前的样本点组成新的样本点组，然后重复寻优设计步骤，直到满足终止条件，从而使负泊松比结构填充内芯满足设计目标；

6)基于最优的负泊松比结构设计参数，利用负泊松比结构参数化模型快速生成负泊松比结构填充内芯和转向管柱的有限元模型，进行汽车碰撞有限元分析从而对转向管柱设计的有效性进行验证。

进一步地，所述步骤1)中建立参数化模型时，选取负泊松比结构元胞薄壁间的夹角、薄壁的长度、薄壁的厚度、薄壁的长度作为优化设计变量。

进一步地，所述步骤2)建立初始近似模型过程中，采用拉丁超立方采样方法生成初始有限元模型的计算样本点，从而利用初始有限元模型的计算样本点构造初始近似模型，即初始负泊松比结构填充内芯近似模型；

在使用拉丁超立方采样方法生成W个初始点即初始有限元模型的计算样本点后，调用初始有限元模型分别计算样本点的函数值来生成三个不同的近似模型，分别是克里金代理模型K(x)、径向基函数代理模型R(x)和二阶多项式响应面代理模型Q(x)，其中W个初始点的具体数量由设计变量决定：

W＝(n+1)*(n+2)/2

式中，n为负泊松比结构设计参数的数量。

进一步地，所述步骤3)的样本点分组具体包括：

首先通过拉丁超立方采样方法生成大量样本点；

再用步骤2)生成的三种负泊松比结构填充内芯近似模型分别计算样本点对应的函数值，根据样本点函数值大小按照升序原则将样本点排列，在三组样本点排列中分别选取t个函数值最大的样本点作为三种近似模型的代理模型计算样本点，分别对应为A—K(x)，B—R(x)，C—Q(x)，50<t<300；

再按照选出最有可能接近最优点的样本点的原则，按样本点将代理模型计算样本点进行分组，分成七组。

与现有技术相比，本发明的转向管柱的显著优点在于：

1、本发明的转向管柱在汽车正面碰撞过程中，利用负泊松比结构的压缩-压缩特性和变刚度特性，在碰撞过程初始阶段最大程度的提高系统的能量吸收，在碰撞结尾阶段则减少系统的变形量，从而减少碰撞过程中的方向盘侵入量。

2、使用负泊松比结构填充内芯，根据转向管柱的形状特征，确定负泊松比结构填充内芯在X、Y、Z三个方向上的单元数，相比吸能式转向管柱省去了传统吸能结构，在汽车正面碰撞过程中利用负泊松比结构的特殊变形方式和能量吸收特性，通过负泊松比结构管柱的合理变形，对人体起到缓冲作用，显著降低人体所受碰撞力，提高汽车的被动安全性，且结构简单，可靠性高和具有较低的成产成本。

3、根据负泊松比结构元胞的设计参数关系建立负泊松比结构填充内芯的参数化模型，同时采用多种不同元模型组合优化的方式，可根据不用的汽车结构和设计要求进行负泊松比结构转向管柱的设计优化，从而实现负泊松比结构转向管柱最大程度的吸能，提高汽车的被动安全性和结构的可靠性。

附图说明

图1是本发明负泊松比结构转向管柱的结构示意图。

图2是负泊松比结构元胞的设计参数示意图。

图3是本发明的负泊松比结构转向管柱的设计方法的流程图。

图1中，1为负泊松比结构填充内芯、2为上管柱壳体，3为转向管柱上支架，4为转向管柱安装支架，5为转向管柱安装支架加强板，6为转向管柱下支架，7为下管柱壳体。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1所示，根据本发明的实施例，一种负泊松比结构转向管柱包括：上管柱壳体2；下管柱壳体7，连接上管柱壳体2；负泊松比结构填充内芯1，同时设置在上管柱壳体2和下管柱壳体7的内部；转向管柱安装支架4，用于固定至车身(图中未画出)；转向管柱上支架3，设置在上管柱壳体2和转向管柱安装支架3之间，用于承载上管柱壳体2；转向管柱下支架6，设置在下管柱壳体7和转向管柱安装支架3之间，用于承载下管柱壳体7。

优选地，转向管柱安装支架3还包括转向管柱安装支架加强板5，连接至车身(图中未画出)，用于加强转向管柱安装的刚度。

如图3所示，负泊松比结构转向管柱的具体设计流程如下：

首先根据转向管柱的形状特征，确定负泊松比结构填充内芯在X、Y、Z三个方向上的单元数，同时根据负泊松比结构元胞的设计参数关系来建立负泊松比结构填充内芯的参数化模型。具体设计时可根据负泊松比结构的结构参数快速建立负泊松比结构有限元分析模型。建立参数化模型时，选取负泊松比结构元胞薄壁间的夹角、薄壁的长度、薄壁的厚度、薄壁的长度作为优化设计变量，如图2所示，我们采用拉丁超立方采样方法生成初始有限元模型计算样本点，从而利用初始有限元模型计算样本点构造初始近似模型。

利用负泊松比结构填充内芯的参数化模型建立初始近似模型，为使试验设计点在设计空间能尽可能的均匀分布，提高初始负泊松比结构填充内芯近似模型的精度及计算效率，在生成初始有限元模型计算样本点时采用拉丁超立方采样方法，从而利用初始有限元模型计算样本点构造初始负泊松比结构填充内芯近似模型。在使用拉丁超立方采样方法生成36个初始点后，调用有限元模型分别计算样本点的函数值来生成三个不同的近似模型，分别是克里金代理模型K(x)、径向基函数代理模型R(x)和二阶多项式响应面代理模型Q(x)。

首先通过拉丁超立方采样方法生成2000个样本点。用上一步生成的三种负泊松比结构填充内芯近似模型分别计算样本点对应的函数值。根据样本点函数值大小按照升序要求将样本点排列，在三组样本点排列中分别选取100个函数值最大的样本点作为三种近似模型的代理模型计算样本点，分别对应为A—K(x)，B—R(x)，C—Q(x)。按照选出最有可能接近最优点的样本点的原则将样本点将代理模型计算样本点分组，经过合适的分组能大大提高选中最优点的概率。

例如，只在代理模型计算样本点组A或者B或者C中出现的样本点概率是最小的，在A、B或者B、C以及A、C中出现的点概率较大一些，而在A、B、C中同时出现的样本点接近最优点的概率则最大。经过分组后，形成七组样本点，分别是：D＝A∩B∩C；E＝A∩B；F＝B∩C；G＝A∩C；H＝A-(E∪F)；I＝B-(E∪G)；J＝C-(E∪H)。

根据负泊松比结构填充内芯代理模型计算样本点组中样本点的重要性及每组样本点中样本点的数量多少对样本点组赋予权值：

式中，K＝300；n_i表示第i组代理模型计算样本点组中样本点的个数；j表示某一特定样本点共在j个近似模型中出现。根据计算的权值在各组负泊松比结构填充内芯代理模型计算样本点组中选择新的有限元模型计算样本点，七组样本组中选择的样本点数量分别为：

k_i＝round(ω_i×m),i＝1,2,...,7 (3)

式中，m＝7。

在选出新的样本点后根据设计最优条件来验证上一步所选样本点是否达到最优。其中，满足负泊松比结构填充内芯设计最优的终止条件为：5个最大函数值的差值可以忽略不计时或者

其中，f_j是第j个最小的函数值，ε＝0.0001。

如果上述所选的样本点不能满足终止条件，则将新产生的有限元模型计算样本点和先前的样本点组成新的样本点组，然后重复寻优设计步骤，直到满足终止条件，从而使负泊松比结构填充内芯满足设计目标。

基于最优的负泊松比结构设计参数，利用负泊松比结构参数化模型快速生成负泊松比结构填充内芯和转向管柱的有限元模型，进行汽车碰撞有限元分析从而对转向管柱设计的有效性进行验证。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。