本發(fā)明涉及汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域，尤其涉及一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠及優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

在交通事故中，追尾事故占的比例最高，當(dāng)發(fā)生追尾事故時(shí)，對(duì)被追尾車內(nèi)的乘員的安全很重要。所以，汽車后保險(xiǎn)杠的耐撞性必須要在汽車設(shè)計(jì)過程中給予足夠的重視。目前，大多數(shù)汽車的后保險(xiǎn)杠采用材料的是鑄鐵，耐撞性得到了保證，但是不符合汽車設(shè)計(jì)的輕量化要求；也有部分汽車采用泡沫材料，雖然達(dá)到了輕量化的目的，但是耐撞性明顯不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠及優(yōu)化方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠，包含保險(xiǎn)杠前蓋、保險(xiǎn)杠本體和保險(xiǎn)杠后蓋；

所述保險(xiǎn)杠本體采用負(fù)泊松比材料制成，用于在汽車發(fā)生碰撞時(shí)進(jìn)行吸能；

所述保險(xiǎn)杠前蓋、保險(xiǎn)杠后蓋用于相互配合組成殼體將所述保險(xiǎn)杠本體固定在其中后和所述汽車的車身相連。

作為本發(fā)明一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述保險(xiǎn)杠前蓋呈板裝，保險(xiǎn)杠后蓋沿汽車軸向方向的截面為u型；

所述保險(xiǎn)杠前蓋沿汽車縱向方向上的長1220mm，沿汽車豎直方向上的高為90mm，自身的厚度為1mm；

所述保險(xiǎn)杠后蓋沿汽車縱向方向上的長1220mm，沿汽車軸向方向上的寬為128mm，沿汽車豎直方向上的高為90mm，自身的厚度為1mm。

作為本發(fā)明一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述保險(xiǎn)杠本體沿汽車縱向方向由三層負(fù)泊松比單胞元構(gòu)成，每層負(fù)泊松比單胞元的厚度梯度值恒定；

所述負(fù)泊松比單胞元呈內(nèi)凹六邊形，其特征參數(shù)值分別為：底邊長為10.5mm，斜壁長為6.291mm，底邊和斜壁夾角為75.5deg，厚度為1mm。

本發(fā)明還公開了一種基于該功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠的優(yōu)化方法，包含以下步驟：

步驟1)，利用doe試驗(yàn)優(yōu)化方法、參數(shù)化建模、有限元分析，擬合出響應(yīng)面模型；

步驟2)，基于響應(yīng)面模型運(yùn)用田口設(shè)計(jì)穩(wěn)健性方法對(duì)汽車后保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的汽車后保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度，及負(fù)泊松比單胞元沿縱向方向的厚度梯度。

作為本發(fā)明一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述1)包括以下詳細(xì)步驟：

步驟1.1)，在isight中，利用最優(yōu)拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到n組保險(xiǎn)杠前蓋、后蓋及保險(xiǎn)杠本體的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)單胞元的厚度梯度參數(shù)，n為大于1的自然數(shù)、為預(yù)先設(shè)定的閾值；

步驟1.2)，根據(jù)步驟1.1)得到的n組參數(shù)，在catia中，編制宏程序，建立n組功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠幾何模型；

步驟1.3)，在hypermesh中，根據(jù)步驟1.2)的n組功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠幾何模型，建立n組汽車后側(cè)碰撞有限元模型，并通過lsdyna求解出n組有限元計(jì)算結(jié)果；

步驟1.4)，利用橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型方法，根據(jù)步驟1.3)的n組有限元計(jì)算結(jié)果，以保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度、負(fù)泊松比單胞元沿軸向方向的梯度和碰撞車速為輸入，分別以最大碰撞力、比吸能為輸出建立兩個(gè)橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型；

步驟1.5)，通過相關(guān)系數(shù)r²和均方根誤差σrmse方法來評(píng)價(jià)步驟1.4)中得到的兩個(gè)橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型的精度，若相關(guān)系數(shù)r²大于等于0.9且均方根誤差σrmse大于等于0.1，說明響應(yīng)面模型的精度滿足要求，則繼續(xù)執(zhí)行步驟1.6)；反之，重新執(zhí)行步驟1.1)至步驟1.4)，直至滿足精度要求為止；

所述相關(guān)系數(shù)r²和均方根誤差σrmse的計(jì)算公式分別為：

其中，n為樣本點(diǎn)數(shù)，p為多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)，i為第i個(gè)樣本點(diǎn)，fi為第i個(gè)樣本點(diǎn)的有限元分析值，fi'為第i個(gè)樣本點(diǎn)的響應(yīng)面模型計(jì)算值，為所有樣本點(diǎn)的有限元分析均值。

作為本發(fā)明一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述2)包括以下詳細(xì)步驟：

步驟2.1)，在isigit中，選取控制因素為保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度、負(fù)泊松比單胞元沿縱向方向的厚度梯度，并對(duì)每個(gè)因素各取四個(gè)水平，按照正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方法，不考慮參數(shù)見的交互作用，編制有16組參數(shù)組合的控制因素實(shí)驗(yàn)表l16；

步驟2.2)，繼續(xù)選取噪聲因素為剛性墻碰撞汽車后保險(xiǎn)的速度，對(duì)噪聲因素取四個(gè)水平，編制有4組參數(shù)組合的噪聲因素實(shí)驗(yàn)表l4；

步驟2.3)，以步驟2.1)中的控制因素實(shí)驗(yàn)表l16為內(nèi)表，步驟2.2)中的噪聲因素實(shí)驗(yàn)表l4為外表，編制組合表，組合表的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為16*4＝64次；

步驟2.4)，根據(jù)組合表和兩個(gè)橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型，得到與組合表相對(duì)應(yīng)的64次試驗(yàn)的最大碰撞力和比吸能值；

步驟2.5)，根據(jù)望大特性，計(jì)算出三個(gè)控制因素在各水平上相對(duì)于最大碰撞力和比吸能的信噪比，并以控制因素各水平為橫坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)的信噪比為縱坐標(biāo)，作出最大碰撞力響應(yīng)圖和比吸能響應(yīng)圖，其中信噪比sn的計(jì)算公式如下：

式中，yi為第i次試驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)值；

步驟2.6)，計(jì)算得到每個(gè)控制因素的貢獻(xiàn)率，根據(jù)最大的貢獻(xiàn)率，確定對(duì)最大碰撞力和比吸能影響最大的控制因素，并從最大碰撞力響應(yīng)圖和比吸能響應(yīng)圖上找出每個(gè)因素的最佳點(diǎn)，即信噪比最大的點(diǎn)，將其組合，得到最優(yōu)的組合，其對(duì)應(yīng)的保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度、負(fù)泊松比單胞元沿縱向方向的厚度梯度即為最優(yōu)解。

作為本發(fā)明一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟2.6)中的每個(gè)因素貢獻(xiàn)率計(jì)算步驟如下：

步驟2.6.1)，根據(jù)以下公式計(jì)算總的平均信噪比

式中，n為試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的總試驗(yàn)次數(shù)，(sn)i為第i次試驗(yàn)的信噪比；

步驟2.6.2)，根據(jù)以下公式計(jì)算總離差平方和ss：

步驟2.6.3)，根據(jù)以下公式計(jì)算第i個(gè)因素的離差平方和ssi：

式中，k為因素的水平數(shù)；t為第i個(gè)因素在第i水平上的試驗(yàn)次數(shù)；為第i個(gè)因素在第j個(gè)水平上的平均信噪比；

步驟2.6.4)，根據(jù)以下公式計(jì)算每個(gè)因素的貢獻(xiàn)率：

式中，pi為第i個(gè)因素的貢獻(xiàn)率。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1.本發(fā)明公開一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠，該保險(xiǎn)杠結(jié)合了功能梯度和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，保證了整個(gè)汽車后保險(xiǎn)杠的質(zhì)輕、吸能好的特性；

2.本發(fā)明的優(yōu)化方法依次采用了doe試驗(yàn)優(yōu)化方法、參數(shù)化建模、響應(yīng)面模型、田口設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性方法對(duì)汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了最優(yōu)狀態(tài)下的保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度，及負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的單胞元沿縱向方向的厚度梯度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的汽車后保險(xiǎn)杠前蓋尺寸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的汽車后保險(xiǎn)杠后蓋示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的汽車后保險(xiǎn)杠負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)沿汽車縱向的梯度分布示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的汽車后保險(xiǎn)杠負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)單胞元尺寸示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠柱優(yōu)化方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠，包含保險(xiǎn)杠前蓋、保險(xiǎn)杠本體和保險(xiǎn)杠后蓋；保險(xiǎn)杠本體采用負(fù)泊松比材料制成，用于在汽車發(fā)生碰撞時(shí)進(jìn)行吸能；保險(xiǎn)杠前蓋、保險(xiǎn)杠后蓋用于相互配合組成殼體將保險(xiǎn)杠本體固定在其中后和汽車的車身相連。

保險(xiǎn)杠前蓋呈板裝，保險(xiǎn)杠后蓋沿汽車軸向方向的截面為u型。

如圖2所示，保險(xiǎn)杠前蓋沿汽車縱向方向上的長1220mm，沿汽車豎直方向上的高為90mm，自身的厚度為1mm。

如圖3所示，保險(xiǎn)杠后蓋沿汽車縱向方向上的長1220mm，沿汽車軸向方向上的寬為128mm，沿汽車豎直方向上的高為90mm，自身的厚度為1mm。

如圖4所示，保險(xiǎn)杠本體沿汽車縱向方向由三層負(fù)泊松比單胞元構(gòu)成，每層負(fù)泊松比單胞元的厚度梯度值恒定。

如圖5所示，負(fù)泊松比單胞元呈內(nèi)凹六邊形，其特征參數(shù)值分別為：底邊長為10.5mm，斜壁長為6.291mm，底邊和斜壁夾角為75.5deg，厚度為1mm。

本發(fā)明還公開了一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠的優(yōu)化方法，具體步驟如下：

步驟1)，利用doe試驗(yàn)優(yōu)化方法、參數(shù)化建模、有限元分析，擬合出響應(yīng)面模型；

步驟2)，基于響應(yīng)面模型運(yùn)用田口設(shè)計(jì)穩(wěn)健性方法對(duì)汽車后保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的汽車后保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度，及負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的單胞元沿縱向方向的厚度梯度。

本發(fā)明還公布了一種功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠的優(yōu)化方法，其特征在于，所述1)包括以下詳細(xì)步驟：

步驟1.1)，在isight中，利用最優(yōu)拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到n組保險(xiǎn)杠前蓋、后蓋及保險(xiǎn)杠本體的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)單胞元的厚度梯度參數(shù)，n為大于1的自然數(shù)、為預(yù)先設(shè)定的閾值；

步驟1.2)，根據(jù)步驟1.1)得到的n組參數(shù)，在catia中，編制宏程序，建立n組功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠幾何模型；

步驟1.3)，在hypermesh中，根據(jù)步驟1.2)的n組功能梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車后保險(xiǎn)杠幾何模型，建立n組汽車后側(cè)碰撞有限元模型，并通過lsdyna求解出n組有限元計(jì)算結(jié)果；

步驟1.4)，利用橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型方法，根據(jù)步驟1.3)的n組有限元計(jì)算結(jié)果，以保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度、負(fù)泊松比單胞元沿軸向方向的梯度和碰撞車速為輸入，分別以最大碰撞力(fmax)、比吸能(sea)為輸出建立兩個(gè)橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型；

步驟1.5)，通過相關(guān)系數(shù)r²和均方根誤差σrmse方法來評(píng)價(jià)步驟1.4)中得到的兩個(gè)橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型的精度，若相關(guān)系數(shù)r²大于等于0.9且均方根誤差σrmse大于等于0.1，說明響應(yīng)面模型的精度滿足要求，則繼續(xù)執(zhí)行步驟1.6)；反之，重新執(zhí)行步驟1.1)至步驟1.4)，直至滿足精度要求為止；

所述相關(guān)系數(shù)r²和均方根誤差σrmse的計(jì)算公式分別為：

其中，n為樣本點(diǎn)數(shù)，p為多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)，i為第i個(gè)樣本點(diǎn)，fi為第i個(gè)樣本點(diǎn)的有限元分析值，fi'為第i個(gè)樣本點(diǎn)的響應(yīng)面模型計(jì)算值，為所有樣本點(diǎn)的有限元分析均值。

所述步驟2)包括以下詳細(xì)步驟：

步驟2.1)，在isigit中，選取控制因素為保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度、負(fù)泊松比單胞元沿縱向方向的厚度梯度，并對(duì)每個(gè)因素各取四個(gè)水平，按照正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方法，不考慮參數(shù)見的交互作用，編制有16組參數(shù)組合的控制因素實(shí)驗(yàn)表l16；

步驟2.2)，繼續(xù)選取噪聲因素為剛性墻碰撞汽車后保險(xiǎn)的速度，對(duì)噪聲因素取四個(gè)水平，編制有4組參數(shù)組合的噪聲因素實(shí)驗(yàn)表l4；

步驟2.3)，以步驟2.1)中的控制因素實(shí)驗(yàn)表l16為內(nèi)表，步驟2.2)中的噪聲因素實(shí)驗(yàn)表l4為外表，編制組合表，組合表的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為16*4＝64次；

步驟2.4)，根據(jù)組合表和兩個(gè)橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型，得到與組合表相對(duì)應(yīng)的64次試驗(yàn)的最大碰撞力(fmax)和比吸能(sea)值；

步驟2.5)，根據(jù)望大特性，計(jì)算出三個(gè)控制因素在各水平上相對(duì)于最大碰撞力和比吸能的信噪比，并以控制因素各水平為橫坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)的信噪比為縱坐標(biāo)，作出最大碰撞力響應(yīng)圖和比吸能響應(yīng)圖，其中信噪比sn的計(jì)算公式如下：

式中，yi為第i次試驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)值；

步驟2.6)，計(jì)算得到每個(gè)控制因素的貢獻(xiàn)率，根據(jù)最大的貢獻(xiàn)率，確定對(duì)最大碰撞力(fmax)和比吸能(sea)影響最大的控制因素，并從最大碰撞力響應(yīng)圖和比吸能響應(yīng)圖上找出每個(gè)因素的最佳點(diǎn)，即信噪比最大的點(diǎn)，將其組合，得到最優(yōu)的組合，其對(duì)應(yīng)的保險(xiǎn)杠前蓋厚度、保險(xiǎn)杠后蓋厚度、負(fù)泊松比單胞元沿縱向方向的厚度梯度即為最優(yōu)解。

所述步驟2.6)中的每個(gè)因素貢獻(xiàn)率計(jì)算步驟如下：

步驟2.6.1)，根據(jù)以下公式計(jì)算總的平均信噪比

式中，n為試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的總試驗(yàn)次數(shù)，(sn)i為第i次試驗(yàn)的信噪比；

步驟2.6.2)，根據(jù)以下公式計(jì)算總離差平方和ss：

步驟2.6.3)，根據(jù)以下公式計(jì)算第i個(gè)因素的離差平方和ssi：

式中，k為因素的水平數(shù)(本發(fā)明為k＝4)；t為第i個(gè)因素在第i水平上的試驗(yàn)次數(shù)；為第i個(gè)因素在第j個(gè)水平上的平均信噪比；

步驟2.6.4)，根據(jù)以下公式計(jì)算每個(gè)因素的貢獻(xiàn)率：

式中，pi為第i個(gè)因素的貢獻(xiàn)率。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。