一种多胞薄壁吸能管的设计方法与流程

本发明涉及汽车吸能装置设计领域，尤其涉及一种多胞薄壁吸能管的设计方法。
背景技术：
：汽车吸能装置的设计对汽车碰撞安全具有十分重要的意义。吸能效果好的吸能装置能够在汽车发生碰撞时保护乘员的的安全。多胞薄壁吸能管设计是通过对柱状吸能管的截面内嵌入一些不同形式的胞元来提高吸能管的吸能效果，这样充分利用了有限的设计空间。当下汽车吸能装置的设计的主要方法可概括为“经验设计-优化分析”。该方法可简述为：汽车底盘总布置完成以后，工程师根据设计经验及设计需求，给出吸能装置的设计参数(包括吸能装置的长度，截面尺寸，材料及壁厚等)，然后对吸能装置进行仿真优化分析，如果吸能装置不能达到设计目标，则需要返回重新设计合理的吸能装置，直到满足设计目标为止。由于上述的吸能装置设计方法主要依靠的是设计经验和设计需求，因而初次设计出来的吸能装置往往达不到设计目标，需要进行反复修改才能完成设计目标。故这种方法不仅设计过程繁琐、效率较低，而且设计成本较高。技术实现要素：为了提高多胞薄壁吸能管的设计效率，降低设计成本，本发明提供了一种汽车多胞薄壁吸能管的设计方法，包括如下步骤：1)根据设定工况计算出多胞薄壁吸能管理论上所需吸收的能量；2)根据预设多胞薄壁吸能管的长度及压溃率计算出多胞薄壁吸能管的压溃长度；3)由多胞薄壁吸能管所需吸收的能量与其压溃长度之比获得多胞薄壁吸能管的理论平均压溃力；4)由理论平均压溃力的数值及实际平均压溃力公式，从多胞元素库中选出合适的多胞元素进行组合；5)计算出组合多胞薄壁吸能管的实际平均压溃力；6)根据实际平均压溃力应大于理论平均压溃力的原则验证所设计的多胞薄壁吸能管是否满足设计目标，不满足则修正设计参数重新计算，重复该过程直至满足设计目标。其中，多胞薄壁吸能管的理论吸收能量通过如下方法得到：根据设计目标预设的汽车整车质量以及初始碰撞速度，运用公式E＝mv2/2计算出整车碰撞能量；再由多胞薄壁吸能管吸收的能量占碰撞总能量的吸能比得到多胞薄壁吸能管碰撞的理论吸收能量。其中，吸能比是根据工程师的经验获得。其中，实际平均压溃力计算公式是根据简化超级折叠单元理论(SSFE)计算得出的，公式推导如下：式中，Wm为各个元素的薄膜变形能量总和，a为各个元素薄膜变形能量总和的系数。式中，Pm是实际平均压溃力，Lc为多胞薄壁吸能管横截面总长度，σ0为材料塑性流动应力，t为多胞薄壁吸能管壁厚，λ为动态放大系数，k为有效冲程效率。其中，对于材料塑性流动应力σ0，理想刚塑性材料的σ0为恒定值，而幂指数硬化材料σ＝σu(ε/εu)n，其塑性流动应力可以用一些方法近似获得，本发明采用基于能量等效的方法进行近似，其计算公式如下：式中，σy是材料屈服应力，σu是材料强度极限，n为幂指数硬化材料的幂指数。其中，多胞元素库是通过以下方法获得的：根据简化超级折叠单元理论(SSFE),计算出各种典型类型的元素的薄膜变形能量吸收公式。其中比较典型的角元素有Y元素(1)，3l元素(2)，T元素(3)和C元素(4)等。其计算公式如下：Y元素(1)：3l元素(2)：T元素(3):C元素(4)：对这些典型元素的常用角度取值分别进行计算，制成相应表格，便于设计时快速查阅，从而提高设计效率。其中，上述步骤6)所述的修正设计参数，本发明采用以下方法修正：若实际平均压溃力与理论平均压溃力相差不大，可考虑通过改变多胞薄壁吸能管壁厚进行修正；若实际平均压溃力与理论平均压溃力相差较大，可考虑改变壁厚的同时在原有多胞薄壁吸能管中增加或者替换一些吸能效果较好的多胞元素。应用本发明的汽车薄壁吸能管设计方法，通过计算出薄壁吸能管的理论平均压溃力，进而根据理论平均压溃力数值以及平均压溃力公式从多胞元素库中选出合适的多胞元素组合出相应的多胞薄壁吸能管，计算组合出的多胞薄壁吸能管的实际平均压溃力并与理论压溃力作比较，选出实际平均压溃力大于理论平均压溃力的多胞薄壁吸能管。若初步设计的结构不满足要求，可利用平均压溃力公式及多胞元素库来指导改进设计，这比现有的按照经验来设计的方法要更科学、高效，也更有助于后期的仿真优化。由于本发明的设计方法利用了平均压溃力公式及多胞元素库来指导改进设计，因而使得设计更具有目的性，可以有效地降低设计开发成本以及缩短设计时间。附图说明图1汽车薄壁吸能管碰撞前示意图；图2汽车薄壁吸能管碰撞后示意图；图3本发明具体实施方式中多胞薄壁吸能管设计流程图；图4C-C多胞薄壁吸能管截面示意图；图5W-W多胞薄壁吸能管截面示意图。其中：1-Y元素，2-3l元素，3-T元素，4-C元素。具体实施方式为了使本发明更易于理解，此处先对薄壁吸能管做如下简要说明。如图1和图2所示，薄壁吸能管为柱状结构，其设计参数主要包括材料，薄壁吸能管长度L1,横截面厚度t，横截面材料面积A。薄壁吸能管长度L1是指碰撞之前薄壁吸能管的原始长度，设薄壁吸能管碰撞后的长度为L2，则薄壁吸能管的压溃长度L＝L1-L2。如图3所示，本发明提供的多胞薄壁吸能管设计方法，包括如下步骤：1)根据设定工况计算出多胞薄壁吸能管理论上所需吸收的能量；2)根据预设多胞薄壁吸能管的长度及压溃率计算出多胞薄壁吸能管的压溃长度；3)由多胞薄壁吸能管所需吸收的能量与其压溃长度之比获得多胞薄壁吸能管的理论平均压溃力；4)由理论平均压溃力的数值及实际平均压溃力公式，从多胞元素库中选出合适的多胞元素进行组合；5)计算出组合多胞薄壁吸能管的实际平均压溃力；6)根据实际平均压溃力应大于理论平均压溃力的原则验证所设计的多胞薄壁吸能管是否满足设计目标，不满足则修正设计参数重新计算，重复该过程直至满足设计目标，最终得到满足设计要求的目标吸能结构。实施例下面将结合实施例对各个步骤进行具体解释说明。1)根据设定工况计算出多胞薄壁吸能管理论上所需吸收的能量E理。本实施例中，设定的汽车整车质量(整备状态的轿车和驾驶员总质量)为m＝1600kg，速度为5m/s，碰撞角度为0°，则整车碰撞总能量E总为：薄壁吸能管吸收能量占碰撞总能量的吸能比α一般根据工程经验获得，本实施例按吸能比α＝50％进行计算。从而计算出该碰撞工况下吸能结构吸收的能量E理为：E理＝E总×50％＝20kJ×50％＝10kJ。2)根据预设多胞薄壁吸能管的长度及压溃率计算出多胞薄壁吸能管的压溃长度L。薄壁吸能管长度L1可由工程师根据经验或者参考对标车对薄壁吸能管的长度给定得到。薄壁吸能管压溃率β(压溃长度L/薄壁吸能管初始长度L1)同样也是根据工程师的经验或者参考对标车的薄壁吸能管压溃率来确定。本实施例中，设定薄壁吸能管长度L1＝180mm，压溃率β＝0.80，则压溃长度L可用如下公式计算获得：L＝L1×β＝180mm×0.80＝144mm。3)由多胞薄壁吸能管所需吸收的能量与其压溃长度之比获得多胞薄壁吸能管的理论平均压溃力Fm。本实施例中，可根据以下公式计算多胞薄壁吸能管的平均压溃力Fm:Fm＝E理/L＝10kJ/144mm≈69.44kN4)由理论平均压溃力的数值及实际平均压溃力公式，从多胞元素库中选出合适的多胞元素进行组合。本实施例中，薄壁吸能管为多边形截面薄壁管，采用以下公式计算多胞薄壁吸能管的平均压溃力Pm:式中，Lc为薄壁吸能管横截面各个边长度之和，σ0为材料流动应力，t为多胞结构壁厚，λ为动态放大系数，k为有效冲程效率，a为各个元素薄膜变形能量总和的系数。在本实施例中，薄壁吸能管的材料选为AA6060T4，λ取1.45,k取0.7。材料流动应力σ0可用以下公式计算：式中，σy为材料屈服应力，σu为材料强度极限，n为幂指数硬化材料的幂指数。对于本实施例选择的AA6060T4材料，则这些参数分别为：σy＝80MPa，σu＝173MPa，n＝0.23。代入上面公式可得σ0＝106MPa。进一步计算出Pm＝151.81t1.5a0.5Lc0.5。本实施例选用八边形截面进行设计，八边形内部用Y元素(1)，3l元素(2)，T元素(3)和C元素(4)进行配置如图4和图5所示。从多胞元素库中查阅出这些元素的薄膜变形吸能值，便于下一步计算。分别为：Y元素(1)：3l元素(2)：T元素(3):C元素(4)：5)计算出组合多胞薄壁吸能管的实际平均压溃力Pm。表1：C-C薄壁吸能管平均压溃力Pm计算结果组号t/mmD/mmd/mmL/mmaPm/kN11.27236474.64183.9453.4421.37236474.64183.9460.2631.47236474.64183.9467.3441.57236474.64183.9474.68表2：W-W薄壁吸能管平均压溃力Pm计算结果组号t/mmD/mmd/mmL/mmaPm/kN51.17236463.68266.6055.8161.27236463.68266.6063.5971.37236463.68266.6071.70上表中各个元素薄膜变形能量总和的系数a的计算方法为多胞薄壁吸能管的各个元素薄膜变形能量公式的系数乘以相应的元素个数之和.本实施例的两种多胞薄壁吸能管的计算公式如下：aC-C＝9.7086×8+13.2836×8＝183.94aW-W＝12.3×16+4.3624×16＝266.606)根据实际平均压溃力应大于理论平均压溃力的原则验证所设计的多胞薄壁吸能管是否满足设计目标，不满足则修正设计参数重新计算，重复该过程直至满足设计目标，最终得到满足设计要求的目标薄壁吸能管。根据上述表1和表2的计算结果可以看出，第4组和第7组满足Fm≤Pm。进一步比较第4组和第7组的设计参数，可以发现，第4组结构的质量比第7组大，因而从结构轻量化以及节约资源的方面考虑，第7组的结构为本实施例的最佳选择目标。因此，本实施例最终确定的薄壁吸能管的最佳设计参数为：薄壁吸能管长度：180mm，材料：AA6060T4，厚度：1.3mm横截面：外接圆直径D＝72mm的八边形，多胞元素配置：如图5。综上，完成了本发明的目标薄壁吸能管的最终设计。进一步地，可以对得到的目标薄壁吸能管进行进一步的仿真优化改进工作。当前第1页1 2 3