本发明涉及一种汽车防撞梁结构优化方法，特别是涉及一种基于b样条的防撞梁结构优化方法，属于具有曲面形状结构优化技术领域。
背景技术：
由现有技术已知，在汽车车身在碰撞过程中，为了乘客安全，设置防撞梁是必要的，所述防撞梁用于将在碰撞时产生的力有针对性地引导至力流路径中，以便借此保障汽车内部空间结构的稳定并且由此保护乘客，针对这一情况，防撞梁构造应设计为尽量抗弯的，而采用曲面防撞梁构造，除了使得碰撞冲击力分散外，在发生碰撞后，防撞梁弯曲还能有缓冲作用。
防撞梁是用来减轻车辆受到碰撞时吸收碰撞能量的一种装置，由主梁、吸能盒，连接汽车的安装板组成，主梁、吸能盒都可以在车辆发生低速碰撞时有效吸收碰撞能量，尽可能减小撞击力对车身纵梁的损害，通过这样就发挥了它对车辆的保护作用，作为碰撞中的主要吸能部件，防撞梁位于车身的前部或后部，它与纵梁相连接，同时对车身总成的扭转刚度，弯曲刚度，性能有重要影响。
现有的汽车防撞梁多是钢结构或者铝合金结构，且是刚性的，碰撞时，只有防撞梁本体发生形变才能吸能，在碰撞发生后经常需要更换防撞梁。
技术实现要素：
本发明的主要目的是为了提供一种基于b样条的防撞梁结构优化方法，针对现有防撞梁的结构优化仅仅针对其截面形状、长度、宽度等参数的优化，而并未针对防撞梁曲面形状改变而进行优化的问题。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种基于b样条的防撞梁结构优化方法，包括如下步骤：
步骤1：根据防撞梁的几何尺寸确定b样条的首尾点坐标；
步骤2：通过改变b样条控制点坐标，实现具有曲面零部件外形的变化；
步骤3：在有限元中拟合b样条曲线，完成有限元建模；
步骤4：使用经典层合板强度理论中蔡-吴张量理论，建立关于防撞梁结构的强度的关系，并得出强度比r；
步骤5：以控制点位置为设计变量，采用matlab工具箱对强度比r的最大值方向进行寻优。
进一步的，所述步骤4中，强度比r，表示单层板在施加应力作用下，极限应力的某一分量与其对应的施加应力分量之比，也称为强度/应力比，强度比r如公式(1)所示；
其中：f11、f1、f22、f2、f66、f12均为强度参数；
xt为纵向拉伸强度，xc为纵向压缩强度，yt为横向拉伸强度，yc为横向压缩强度；
σ1为纵向应力，σ2为横向应力，σ6为剪切应力。
进一步的，所述步骤1中，确定首尾点坐标分别为(0,0)，(1000,100)，对应防撞梁几何尺寸为长2m，高10cm。
进一步的，所述步骤2中，b样条曲线构造如公式(2)所示：
其中ni,p为b样条基函数，pi为b样条控制点坐标。
进一步的，所述步骤5中，采用matlab与ansys结合编程，在matlab平台中，后台运行ansys建模计算，再由matlab实现优化目的。
进一步的，所述步骤5，以控制点位置为设计变量，建立目标函数如公式(3)所示，其中强度比r的数值，随x1、x2的变化而变化：
f(x1,x2)＝max(r)(3)
其中，x1、x2为在matlab中以两个控制点位置坐标的设计变量。
进一步的，所示步骤3中，采用b样条曲线拟合零部件的曲面形状。
进一步的，所述步骤3中，在ansys有限元软件中拟合b样条曲线，采用三次均匀b样条曲线进行建模，其基函数如公式(4)所示：
其中，u＝{ui}(ui≤ui+1)，(i＝0,1,2,...,m)是对于给定参数u轴上的一个分割；
ni,p(u)称为u的p次(p+1阶)b样条基函数。
本发明的有益技术效果：按照本发明的基于b样条的防撞梁结构优化方法，本发明提供的基于b样条的防撞梁结构优化方法，与传统的防撞梁结构优化相比，首次考虑防撞梁弯曲程度对防撞梁整体强度、刚度、以及抗弯能力的影响；传统的结构优化只能考虑防撞梁截面形状参数及长度、宽度、高度等几何参数的改变，本发明除此以外能够考虑复杂的结构参数的改变，如防撞梁弯曲结构等；b样条建模相比传统的弯曲曲线更平滑，且具有显著的分散碰撞冲击力的能力。
附图说明
图1为按照本发明的基于b样条的防撞梁结构优化方法的一优选实施例的弯曲防撞梁与非弯曲防撞梁冲击变形对比图；
图2为按照本发明的基于b样条的防撞梁结构优化方法的一优选实施例的防撞梁曲面形状改变原理图；
图3为按照本发明的基于b样条的防撞梁结构优化方法的一优选实施例的有限元建模模型；
图4为按照本发明的基于b样条的防撞梁结构优化方法的一优选实施例的防撞梁载荷、约束施加示意图；
图5为按照本发明的基于b样条的防撞梁结构优化方法的一优选实施例的防撞梁结构优化流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本实施例中，图1为弯曲防撞梁与非弯曲防撞梁冲击变形对比图，图2为防撞梁曲面形状改变原理图，图3为有限元建模模型，图4为防撞梁载荷、约束施加示意图，图5为防撞梁结构优化流程图。
如图5所示，本实施例提供的一种基于b样条的防撞梁结构优化方法，包括如下步骤：
步骤1：根据防撞梁的几何尺寸确定b样条的首尾点坐标；
步骤2：通过改变b样条控制点坐标，实现具有曲面零部件外形的变化；
步骤3：在有限元中拟合b样条曲线，完成有限元建模；
步骤4：使用经典层合板强度理论中蔡-吴张量理论，建立关于防撞梁结构的强度的关系，并得出强度比r；
步骤5：以控制点位置为设计变量，采用matlab工具箱对强度比r的最大值方向进行寻优。
在本实施例中，所述步骤4中，强度比r，表示单层板在施加应力作用下，极限应力的某一分量与其对应的施加应力分量之比，也称为强度/应力比，强度比r如公式(1)所示；
其中：f11、f1、f22、f2、f66、f12均为强度参数；
xt为纵向拉伸强度，xc为纵向压缩强度，yt为横向拉伸强度，yc为横向压缩强度；σ1为纵向应力，σ2为横向应力，σ6为剪切应力。
在本实施例中，所述步骤1中，确定首尾点坐标分别为(0,0)，(1000,100)，对应防撞梁几何尺寸为长2m，高10cm。
在本实施例中，所述步骤2中，b样条曲线构造如公式(2)所示：
其中ni,p为b样条基函数，pi为b样条控制点坐标。
在本实施例中，所述步骤5中，采用matlab与ansys结合编程，在matlab平台中，后台运行ansys建模计算，再由matlab实现优化目的，以控制点位置为设计变量，建立目标函数如公式(3)所示，其中强度比r的数值，随x1、x2的变化而变化：
f(x1,x2)＝max(r)(3)
其中，x1、x2为在matlab中以两个控制点位置坐标的设计变量。
在本实施例中，所示步骤3中，采用b样条曲线拟合零部件的曲面形状，在ansys有限元软件中拟合b样条曲线，采用三次均匀b样条曲线进行建模，其基函数如公式(4)所示：
其中，u＝{ui}(ui≤ui+1)，(i＝0,1,2,...,m)是对于给定参数u轴上的一个分割；
ni,p(u)称为u的p次(p+1阶)b样条基函数。
在本实施例中，本实施例所述的一种基于b样条的防撞梁结构优化方法，针对防撞梁曲面形状对于冲击碰撞吸能有很大影响的特点，将曲面设计为b样条结构，且通过控制点位置改变，实现对于防撞梁结构的变化。
本实施例在一种基于b样条的防撞梁结构优化方法中，提出了在matlab中生成b样条曲线节点，且将节点输入ansys中，通过ansys拟合样条曲线构建有限元模型的设计方法，以b样条控制顶点位置坐标为设计变量，根据蔡-吴(e.m.wu)张量理论的强度比方程，以强度比建立目标函数，以强度最大为优化目标进行优化设计。
这种方法改变了对于防撞梁结构优化中只考虑截面形状等简单参数的思想，通过改变防撞梁曲面弯曲程度，即曲线形状，一样可以满足汽车碰撞后安全性能。
一种基于b样条的防撞梁结构优化方法按如下具体步骤分为5部分完成。包括根据防撞梁的几何尺寸确定b样条的首尾点坐标；改变b样条控制点坐标，实现防撞梁曲面外形的变化；有限元中拟合b样条，完成有限元建模；据强度准则进行强度分析；以控制点位置为设计变量，进行优化设计。
根据防撞梁的几何尺寸确定b样条的首尾点坐标。
1、本实施例实例中确定首尾点为(0,0)，(1000,100)，对应防撞梁几何尺寸为长2m，高10cm。
2、改变b样条控制点坐标，实现防撞梁曲面外形的变化。
实例中设定2个控制点为p1(0，x1)，p2(x2,100)，其中x1、x2即为结构优化中的设计变量，如图2所示，防撞梁曲面形状改变原理图，通过两个控制点位置的变化(p1点沿y轴上下移动，p2点沿x轴上下移动)，实现防撞梁曲面结构的变化。
3、有限元中拟合b样条，完成有限元建模。
3.1根据步骤2在matlab中改变控制顶点位置，得到样条曲线节点的位置坐标，并输入ansys中定义节点。
对于给定参数u轴上的一个分割u＝{ui}(ui≤ui+1)，(i＝0,1,2,...,m)，由下列递推关系定义的ni,p(u)称为u的p次(p+1阶)b样条基函数，
规定
设p0,p1,...,pn为给定空间的n+1个控制顶点，u＝{u0,u1,...,um}是m+1个节点矢量，则b样条曲线为
这边采用三次均匀b样条曲线进行建模，则其基函数如公式(4)所示，
3.2根据步骤3.1的节点拟合成样条曲线，且构建有限元模型。
采用ansys自带bsplin命令将各个节点连接成b样条曲线，如图4所示，将节点以及对称点输入后，拟合而成。y-z平面内画出防撞梁截面形状，并根据b样条进行扫略，生成模型，如图3所示。这边选择截面形状比较简单，只是矩形，根据不同的需要可以改变截面形状，扫略后即可得到你需要的形状。
3.3根据步骤3.2构建的有限元模型，并按照图4所示，对防撞梁施加约束与载荷，进行有限元计算。
4.据强度准则进行强度分析。
通过有限元分析计算得到相应的应力数值，带入式(1)计算得到强度比r。其理论依据是蔡-吴(e.m.wu)张量理论的强度比公式：
其中：f11、f1、f22、f2、f66、f12均为强度参数，
5.以控制点位置为设计变量，进行优化设计。
在matlab中以两个控制点位置坐标x1、x2为设计变量，根据强度准则建立目标函数，如公式(3)所示，运用优化工具箱，对进行结构优化。
本实施例中考虑防撞梁曲面形状对于汽车整体安全性能的影响，改变了传统结构优化仅仅考虑截面形状等简单参数情况；且在优化过程中，通过matlab后台调用ansys进行有限元建模与计算，这使得整个优化过程计算简便；b样条构建曲面，比传统曲面更光滑，且在防撞梁应用中能够起到更好的吸收碰撞冲击力的作用，具有相当重要的现实意义。
本实施例中，所述结构优化方法可以结合简单参数的改变实现复杂曲面外形的变化，不同于传统结构优化，只是对零部件的长度、宽度、高度以及截面形状等简单参数进行优化，本实施例中可以使具有曲面特征的复杂零部件以曲面形状为设计变量进行优化设计。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的基于b样条的防撞梁结构优化方法，本实施例提供的基于b样条的防撞梁结构优化方法，与传统的防撞梁结构优化相比，首次考虑防撞梁弯曲程度对防撞梁整体强度、刚度、以及抗弯能力的影响；传统的结构优化只能考虑防撞梁截面形状参数及长度、宽度、高度等几何参数的改变，本发明除此以外能够考虑复杂的结构参数的改变，如防撞梁弯曲结构等；b样条建模相比传统的弯曲曲线更平滑，且具有显著的分散碰撞冲击力的能力。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。