CN106997417A - 一种基于行人保护的汽车缓冲吸能a柱及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及其优化方法，汽车缓冲吸能A柱包含左侧A柱和右侧A柱；左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。本发明还给出了该汽车缓冲吸能A柱的优化方法，优化后，可以兼顾汽车‑行人碰撞和和汽车正面碰撞两个工况，在降低行人头部的伤害的前提下，保证了汽车耐撞性和轻量化。

Description

一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及其优化方法

技术领域

本发明涉及汽车被动安全领域，尤其涉及一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及其优化方法。

背景技术

一方面，A柱是汽车框架的重要组成部分，在设计汽车A柱时，必须考虑其耐撞性，当汽车发生正面碰撞时，良好的耐撞性A柱，对车内乘员的生命安全起着关键作用。目前主要是通过改变A柱的结构形状和采用高强度钢来提高A柱的耐撞性

另一方面，在行人头部保护相关法规中，明确的指出汽车A柱在行人头部与汽车碰撞发生的区域内。目前对于考虑行人保护的汽车A柱的研究仅仅是通过非刚性材料来提高行人头部的保护，但会降低汽车A柱的耐撞性。所以，在设计汽车A柱时，如何协同汽车A柱的耐撞性和对行人头部保护的意义显得十分重大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有汽车A柱设计过程中不能有效的协调好汽车A柱的耐撞性和行人头部保护的缺点，提出了一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱及优化方法，在保证耐撞性的基础上，对行人头部进行保护。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，包含左侧A柱和右侧A柱；

所述左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；

所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。

作为本发明一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱进一步的优化方案，所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳的壁厚相同，且左侧A柱、右侧A柱通过胶接技术与汽车的相应部位连接。

本发明还公开了一种该基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱的优化方法，具体步骤如下：

步骤1)，采用拉丁超立方实验优化方法，选取N组设计参数，每组设计参数包括了内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数，N为大于1的自然数、为预先设定的阈值；

步骤2)，根据步骤1)中的N组参数，在CATIA中，建立N组汽车缓冲吸能A柱几何结构；

步骤3)，在HYPERMESH中，分别建立50组正面碰撞有限元模型和50组行人头部碰撞A柱有限元模型；

步骤4)，通过LS-DYNA计算,得到N组正面碰撞结果：汽车缓冲吸能A柱的最大位移和N组HIC值，所述HIC值为行人头部伤害指数；

步骤5)，在ISIGHT中，将总系统为设为汽车缓冲吸能A柱轻量化，两个子系统分别设为A柱耐撞性和行人保护；对汽车缓冲吸能A柱进行多学科协同优化，最终确定满足质量最轻的总目标和步骤1)中所述的各项设计参数值；

步骤6)，利用代理模型方法，建立汽车A柱耐撞性子系统和行人保护子系统各自的Kriging代理模型，借助于相对误差绝对值Average、最大相对绝对值误差Max及相关系数RG₂三个指标对Kriging代理模型精度进行判断，如果Average和Max小于等于0.01且RG₂大于等于0.9，说明精度达到要求，继续执行步骤7)，反之，跳转执行步骤1)；

所述Average、Max、RG₂的计算公式分别为：

其中，n为样本点数，i为第i个样本点，y_i为第i个样本点的有限元分析值，为第i个样本点的响应面模型计算值，为所有样本点的有限元分析均值；

步骤7)，以汽车缓冲吸能A柱在汽车纵向方向上的位移最小为目标，采用多岛遗传算法对汽车A柱耐撞性子系统进行优化运算，得到针对汽车A柱耐撞性子系统的各设计参数的Pareto解集；

步骤8)，以HIC值最小为目标，采用粒子群算法对行人保护系统进行优化运算，得到针对行人保护系统的各设计参数的Pareto解集；

步骤9)，以A柱质量最小为主系统的优化目标，在步骤7)和步骤8)得到的两个的Pareto解集的基础上，借助于AMGA算法，经过迭代运算，最后得到最优的包含内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数的Pareto解集；

步骤10)，从步骤9)中得到的最优的Pareto解集中选取一组满意的妥协解进行输出。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明公开一种基于行人保护的缓冲吸能A柱结构，该结构同时兼顾了汽车A柱的耐撞性和行人保护两个方面，能够在控制行人头部伤害的前提下，提高了A柱的耐撞性能，对车内、车外人员都起到了保护的作用；

2.本发明的优化方法是采用了参数化方法建立A柱几何模型、通过HYPERMESH二次开发建立有限元模型、采用拉丁超立方试验优化方法选取参数、建立子系统的Kriging响应面模型、利用多岛遗传算法和粒子群算法分别对耐撞性子系统和行人保护子系统进行独立优化、利用AMGA对总系统进行多学科协同优化。在保证汽车A柱的耐撞性的基础上，有效的降低行人头部伤害。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于行人保护的汽车吸能A柱的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的三维内凹六边形负泊松比单胞的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱优化方法的流程示意图。

图中，1-左侧A柱，2-右侧A柱，3-内壳，4-外壳，5-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：

如图1所示，本发明公开了一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，包含左侧A柱和右侧A柱；所述左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。

所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳的壁厚相同，且左侧A柱、右侧A柱通过胶接技术与汽车的相应部位连接。

如图2所示，左侧A柱、右侧A柱的内芯是由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。

如图3所示，本发明还公开了一种该基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱的优化方法，具体步骤如下：

步骤1)，采用拉丁超立方实验优化方法，选取N组设计参数，每组设计参数包括了内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数，N为大于1的自然数、为预先设定的阈值；

步骤2)，根据步骤1)中的N组参数，在CATIA中，建立N组汽车缓冲吸能A柱几何结构；

步骤3)，在HYPERMESH中，分别建立50组正面碰撞有限元模型和50组行人头部碰撞A柱有限元模型；

步骤4)，通过LS-DYNA计算,得到N组正面碰撞结果：汽车缓冲吸能A柱的最大位移和N组HIC值，所述HIC值为行人头部伤害指数

步骤5)，在ISIGHT中，将总系统为设为汽车缓冲吸能A柱轻量化，两个子系统分别设为A柱耐撞性和行人保护；对汽车缓冲吸能A柱进行多学科协同优化，最终确定满足质量最轻的总目标和步骤1)中所述的各项设计参数值；

步骤6)，利用代理模型方法，建立汽车A柱耐撞性子系统和行人保护子系统各自的Kriging代理模型，借助于相对误差绝对值Average、最大相对绝对值误差Max及相关系数RG₂三个指标对Kriging代理模型精度进行判断，如果Average和Max小于等于0.01且RG₂大于等于0.9，说明精度达到要求，继续执行步骤7)，反之，跳转执行步骤1)；

所述Average、Max、RG₂的计算公式分别为：

其中，n为样本点数，i为第i个样本点，y_i为第i个样本点的有限元分析值，为第i个样本点的响应面模型计算值，为所有样本点的有限元分析均值；

步骤7)，以汽车缓冲吸能A柱在汽车纵向方向上的位移最小为目标，采用多岛遗传算法对汽车A柱耐撞性子系统进行优化运算，得到针对汽车A柱耐撞性子系统的各设计参数的Pareto解集；

步骤8)，以HIC值最小为目标，采用粒子群算法对行人保护系统进行优化运算，得到针对行人保护系统的各设计参数的Pareto解集；

步骤9)，以A柱质量最小为主系统的优化目标，在步骤7)和步骤8)得到的两个的Pareto解集的基础上，借助于AMGA算法，经过迭代运算，最后得到最优的包含内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数的Pareto解集；

步骤10)，从步骤9)中得到的最优的Pareto解集中选取一组满意的妥协解进行输出。

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。

Claims (3)

1.一种基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，其特征在于，包含左侧A柱和右侧A柱；

所述左侧A柱、右侧A柱关于车辆中心线呈对称分布，均包含内壳、外壳和内芯；

所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳和内芯均采用碳纤维材料，且内芯由三维内凹六边形负泊松比单胞阵列而成。

2.根据权利要求1所述的基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱，其特征在于，所述左侧A柱、右侧A柱的内壳、外壳的壁厚相同，且左侧A柱、右侧A柱通过胶接技术与汽车的相应部位连接。

3.基于权利要求1所述的基于行人保护的汽车缓冲吸能A柱的优化方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)，采用拉丁超立方实验优化方法，选取N组设计参数，每组设计参数包括了内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数，N为大于1的自然数、为预先设定的阈值；

步骤2)，根据步骤1)中的N组参数，在CATIA中，建立N组汽车缓冲吸能A柱几何结构；

步骤3)，在HYPERMESH中，分别建立50组正面碰撞有限元模型和50组行人头部碰撞A柱有限元模型；

步骤4)，通过LS-DYNA计算,得到N组正面碰撞结果：汽车缓冲吸能A柱的最大位移和N组HIC值，所述HIC值为行人头部伤害指数；

步骤5)，在ISIGHT中，将总系统为设为汽车缓冲吸能A柱轻量化，两个子系统分别设为A柱耐撞性和行人保护；对汽车缓冲吸能A柱进行多学科协同优化，最终确定满足质量最轻的总目标和步骤1)中所述的各项设计参数值；

步骤6)，利用代理模型方法，建立汽车A柱耐撞性子系统和行人保护子系统各自的Kriging代理模型，借助于相对误差绝对值Average、最大相对绝对值误差Max及相关系数RG₂三个指标对Kriging代理模型精度进行判断，如果Average和Max小于等于0.01且RG₂大于等于0.9，说明精度达到要求，继续执行步骤7)，反之，跳转执行步骤1)；

所述Average、Max、RG₂的计算公式分别为：

$Average=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|\frac{y_i-{\tilde{y}}_i}{y_i}\right|$

$Max=max\left|\frac{y_i-{\tilde{y}}_i}{y_i}\right|$

${\mathrm{RG}}_2=1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(y_i-{\tilde{y}}_i)}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(y_i-{\stackrel{\‾}{y}}_i)}^2}$

其中，n为样本点数，i为第i个样本点，y_i为第i个样本点的有限元分析值，为第i个样本点的响应面模型计算值，为所有样本点的有限元分析均值；

步骤7)，以汽车缓冲吸能A柱在汽车纵向方向上的位移最小为目标，采用多岛遗传算法对汽车A柱耐撞性子系统进行优化运算，得到针对汽车A柱耐撞性子系统的各设计参数的Pareto解集；

步骤8)，以HIC值最小为目标，采用粒子群算法对行人保护系统进行优化运算，得到针对行人保护系统的各设计参数的Pareto解集；

步骤9)，以A柱质量最小为主系统的优化目标，在步骤7)和步骤8)得到的两个的Pareto解集的基础上，借助于AMGA算法，经过迭代运算，最后得到最优的包含内凹六边形的底壁长、斜壁长、高度、壁厚参数、以及左侧A柱、右侧A柱的内壳厚度参数和外壳厚度参数的Pareto解集；

步骤10)，从步骤9)中得到的最优的Pareto解集中选取一组满意的妥协解进行输出。