CN110210055B - 一种负泊松比结构汽车前隔板及设计方法 - Google Patents

一种负泊松比结构汽车前隔板及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负泊松比结构汽车前隔板及设计方法，负泊松比结构减震板和前隔板、内前隔板分别通过胶粘接固定。首先基于前隔板的功能进行外前隔板和内前隔板的形状设计，并确定负泊松比结构隔振板的尺寸；通过形状参数的改变建立负泊松比结构隔振板的有限元分析模型；利用最优拉丁超立方体抽样技术和双响应面法建立优化目标和优化目标标准偏差的响应面模型，利用六西格玛标准建立前隔板多目标优化模型，应用多目标粒子群优化算法进行多目标稳健性优化设计。本发明通过负泊松比结构隔振板和内、外前隔板的有效结合和利用负泊松比结构的隔振特性，增强前隔板的减振和隔热性能，减少发动机舱振动和热量向乘员舱的传递，提升汽车乘员的舒适性。

Description

一种负泊松比结构汽车前隔板及设计方法
技术领域
本发明属于汽车结构设计技术领域，具体涉及一种负泊松比结构汽车前隔板及设计方法。
背景技术
提高汽车的舒适性和进行轻量化设计是汽车设计的发展趋势。汽车前隔板位于发动机舱和汽车驾驶室之间，主要起到支撑、减振和隔热的作用。由于燃料的燃烧和机械结构的运动，发动机在工作过程中将会产生较为强烈的振动和大量的热量，汽车前隔板位于发动机舱和乘员舱之间，因此汽车前隔板设计的好坏对于汽车的振动水平和隔热性能具有重要意义，从而影响乘员的舒适性水平。
汽车前隔板通过阻隔热量的传播和降低振动的传递来进行减振隔热。传统汽车前隔板主要通过在前隔板上贴隔热材料和增加前隔板的厚度来增强汽车前隔板的减震隔热性能。在前隔板上贴隔热材料能够显著地减少发动机热量向乘员舱的传播，但是对于减少发动机振动的传递作用效果有限，一般只能在前隔板局部发挥作用，且将显著增加生产成本；增加汽车前隔板的厚度，能有效的减少发动机热量的传递，对于减少振动的传递具有一定的作用，但是增加前隔板的厚度将会显著增加部件的质量，从而提升汽车的油耗水平和增加生产成本，不能在显著提升前隔板减震隔热性能和降低重量及生产成本直接取得较好的平衡。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中汽车前隔板在阻隔发动机热量的传播、降低振发动机动的传递和有效降低部件质量等方面的不足，提出了一种负泊松比结构汽车前隔板及设计方法，可广泛应用于传统和电动汽车前隔板系统的设计中。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明所述的一种负泊松比结构汽车前隔板包含外前隔板、负泊松比结构隔振板、内前隔板。外前隔板和内前隔板的形状完全一致，负泊松比结构减震板和内前隔板、外前隔板的形状保持相同，其中负泊松比结构减震板和外前隔板、内前隔板分别通过胶粘接固定，外前隔板和内前隔板通过焊接固定在汽车车身上。外前隔板、负泊松比结构隔振板、内前隔板通过安装在一起组成负泊松比结构汽车前隔板。
上述的了一种负泊松比结构汽车前隔板的设计方法步骤如下：
1)进行外前隔板和内前隔板的形状设计：基于前隔板的功能进行外前隔板和内前隔板的形状设计，使其满足前隔板的定位和功能要求，外前隔板和内前隔板的形状完全一致。负泊松比结构隔振板的外观形状与外前隔板、内前隔板的形状保持一致。前隔板的总体厚度由内前隔板、外前隔板、负泊松比结构隔板三部分相加而成，三部份分别占有各自的厚度。隔板在汽车中的功用主要用于隔绝车辆发动机的振动与热量传播。一般车辆隔振板的厚度不超过1cm，本发明专利的目的就是在有限的厚度内优化最中间负泊松比结构的厚度，达到整体隔板效果的相对最佳平衡值。
2)建立负泊松比结构隔振板的参数化模型：利用负泊松比结构胞壁的长度、厚度、宽度和胞壁间夹角等参数作为设计变量，在Matlab中通过结构参数关系计算节点的坐标位置，然后利用节点坐标的组合生成有限元网格单元，建立负泊松比结构隔振板的参数化模型。通过负泊松比结构设计参数的改变可快速建立负泊松比结构隔振板的有限元分析模型。
3)利用最优拉丁超立方体抽样技术和双响应面法建立负泊松比结构汽车前隔板优化目标和优化目标标准偏差的响应面模型：首先利用最优拉丁超立方体抽样技术来生成样本点，从而使样本点分布的更加均匀；然后把确定性参数样本点放入内矩阵，噪声因子样本点放入内矩阵，通过两个不同矩阵样本点的交叉生成一个新的样本点矩阵，因此新样本点矩阵中样本点的个数为内矩阵和外矩阵中样本点个数的乘积；最后，利用双响应面法同时建立优化目标和优化目标标准偏差的响应面模型，其中二次多项式双响应面法可表示如下：
其中，yμ和分别为真实响应值和响应面值的平均值，yσ和/>分别为真实响应值标准差和响应面值标准差的平均值，εμ是真实响应值与响应面值之间的误差，εσ为真实响应值标准差和响应面值标准差之间的误差。各项b和c是待定系数，通过最小二乘法可求得两者的值。
4)验证响应面模型的精度：当建立好响应面模型后，采用平方相关系数法、平均绝对偏差法和相对最大绝对误差法等三种不同的方法来验证响应面的精度，三种方法的计算如下：
其中，q为样本点的个数，为响应面模型预测值，yi为真实响应值，真实响应值通过有限元分析得到，/>是真实响应值yi的平均值；
如果响应面模型的精度不满足要求，则返回到第3)步重新生成新的样本点和对响应面模型进行进一步改进；如果响应面模型的精度满足要求，则进行下一步优化。
5)建立负泊松比结构汽车前隔板的多目标稳健性优化模型。分析系统优化目标、优化变量和约束条件，通过应用六西格玛标准建立负泊松比结构汽车前隔板的多目标稳健性优化模型。建立的多目标稳健性优化模型可表示如下：
其中，fn是第n个优化目标，n为优化目标的个数，yμn(x)和yσn(x)分别为优化目标和优化目标值的标准差，Consμj和Consσj分别为约束和约束值的标准差，xμ和xσ分别为设计变量和设计变量的标准差，xU和xL分别为设计变量的上边界和下边界。
6)进行负泊松比结构汽车前隔板多目标稳健性优化：通过应用多目标粒子群优化算法对负泊松比结构汽车前隔板进行多目标稳健性优化，最后根据设计需求在多目标解集中选取最优解。
有益效果：本发明提供的一种负泊松比结构汽车前隔板及设计方法，与现有技术相比，具有以下优势：
1、提出一种由外前隔板、负泊松比结构隔振板和内前隔板组成的新型三明治结构。利用负泊松比结构隔振板的优异隔振性能来减少发动机振动向乘员舱的传递，通过利用三明治结构中负泊松比结构隔振层中的中空部分来减少发动机热量部分向乘员舱的传递。由于负泊松比结构隔振层为蜂窝结构，因此负泊松比结构汽车前隔板在具有良好减振隔热性能的同时具有较轻的质量。
2、根据不同车型的不同设计要求可对负泊松比结构汽车前隔板的参数进行针对性设计。不同车型发动机的振动水平和需要传播的热能量不同，同时对汽车前隔板的减振隔热性能具有不同的要求，因此将参数化模型、最优拉丁超立方体抽样技术、双响应面法、六西格玛标准和多目标粒子群优化算法进行了有效的结合，可根据不同的设计要求对负泊松比结构汽车前隔板进行针对性设计，有效的提升汽车前隔板的减振隔热性能和降低部件的质量，从而提升汽车的舒适性和有效控制成产成本。
附图说明
图1是本发明负泊松比结构汽车前隔板整体叠加效果示意图。
图2是负泊松比结构元胞设计示意图。
图3是本发明负泊松比结构侧视图
图4是本发明的负泊松比结构汽车前隔板设计原理图。
图1中，1为内前隔板、2为负泊松比结构隔振板、3为外前隔板。
具体实施方式
如图1所示，本发明开发了一种负泊松比结构汽车前隔板，包含外前隔板、负泊松比结构隔振板、内前隔板。外前隔板和内前隔板的形状完全一致，负泊松比结构减震板和内前隔板、外前隔板的形状保持相同，其中负泊松比结构减震板和外前隔板、内前隔板分别通过胶粘接固定，外前隔板和内前隔板通过焊接固定在汽车车身上。外前隔板、负泊松比结构隔振板、内前隔板通过安装在一起组成负泊松比结构汽车前隔板。负泊松比结构元胞设计如图2所示。
设计过程如图4所示，具体包括以下步骤：
首先进行外前隔板和内前隔板的形状设计：基于前隔板的功能进行外前隔板和内前隔板的形状设计，使其满足前隔板的定位和功能要求，外前隔板和内前隔板的形状完全一致。负泊松比结构隔振板的外观形状与外前隔板、内前隔板的形状保持一致。因前隔板的功能性要求，外前隔板与内前隔板厚度基于原有尺寸厚度，并基于内外隔板厚度与车辆总体设计要求来确定本设计隔板的总体厚度(包括三层结构)。
测量出现有市场具体车型前隔板的总体厚度(分别选用不同类别车型A级\B级\C级\SUV\MPV等)，新发明隔板总厚基于此厚度进行±3mm修改(实际修改量以算法优化以及车辆能够安装合适的尺寸为准)。同时，基于现有外前隔板、内前隔板厚度，通过总体厚度与这两者的差值优化负泊松比结构厚度。
然后建立负泊松比结构隔振板的参数化模型：通过在matlab中调用struct函数。利用负泊松比结构胞壁的长度、厚度、宽度和胞壁间夹角等参数作为函数设计变量，在Matlab中利用结构参数关系进行编程，通过函数计算隔振板节点的坐标位置，然后利用节点坐标的组合对内、外侧隔振板以及负泊松比隔振板生成有限元网格单元，建立负泊松比结构隔振板的参数化模型。通过负泊松比结构设计参数的改变可快速建立负泊松比结构隔振板的有限元分析模型。
利用最优拉丁超立方体抽样技术和双响应面法建立负泊松比结构汽车前隔板优化目标和优化目标标准偏差的响应面模型：首先利用最优拉丁超立方体抽样技术来生成样本点，从而使样本点分布的更加均匀；然后把确定性参数样本点放入内矩阵，样本点个数为200个，噪声因子样本点放入内矩阵，噪声因子样本点个数为4个，通过两个不同矩阵样本点的交叉生成一个新的样本点矩阵，新样本点矩阵中样本点的个数为内矩阵和外矩阵中样本点个数的乘积，因此新样本点矩阵中样本点的个数为800个；利用双响应面法同时建立优化目标和优化目标标准偏差的响应面模型，其中二次多项式双响应面法可表示如下：
其中，yμ和分别为真实响应值和响应面值的平均值，yσ和/>分别为真实响应值标准差和响应面值标准差的平均值，εμ是真实响应值与响应面值之间的误差，εσ为真实响应值标准差和响应面值标准差之间的误差。b和c是待定系数，通过最小二乘法可求得两者的值。
当建立好响应面模型后，采用平方相关系数法、平均绝对偏差法和相对最大绝对误差法等三种不同的方法来验证响应面的精度，三种方法的计算如下：
其中，q为样本点的个数，为响应面模型预测值，yi为真实响应值，真实响应值通过有限元分析得到，/>是真实响应值yi的平均值。经计算，优化目标振动传递函数的响应面模型的平方系数目标值为1，平均绝对偏差系数目标值为0.025，相对最大绝对误差系数目标值为0.06。根据此评价方法，衡量所建立的响应面模型精度是否满足要求。根据上面评价方法的定义可知，所建立的响应面模型满足精度，可用于下一步优化。
建立负泊松比结构汽车前隔板的多目标稳健性优化模型：分析系统优化目标、优化变量和约束条件，通过应用六西格玛标准建立负泊松比结构汽车前隔板的多目标稳健性优化模型。建立的多目标稳健性优化模型可表示如下：
其中，f是优化目标振动传递函数，m为优化目标部件的质量。yμn(x)和yσn(x)分别为优化目标和优化目标值的标准差，Consμj和Consσj分别为约束和约束值的标准差，xμ和xσ分别为设计变量和设计变量的标准差，xU和xL分别为设计变量的上边界和下边界。
最后进行负泊松比结构汽车前隔板多目标稳健性优化。通过应用多目标粒子群优化算法对负泊松比结构汽车前隔板进行多目标稳健性优化，包括隔板厚度、隔板大小参数、隔板隔音、隔热、轻量化性能等，最后根据设计需求在多目标解集中选取几项指标平衡最优解。
以上述建立的多目标稳健性优化模型为基础，选用所设计的内、外隔板厚度为优化变量，因所设计的内外隔板以及负泊松比结构所用材料均为一致，故通过厚度改变即可作为质量优化参数m。运行目标振动传递函数，在设计变量的约束与上下界的框架以内，得出所需解集。车辆的隔音性能、隔热性能、轻量化性能与上述所采用的变量(内、外隔板厚度)有直接关系。故可在优化得出的较优解集中寻求所需最佳参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种负泊松比结构汽车前隔板的设计方法，所述负泊松比结构汽车前隔板由外至内依次由外前隔板(2)、负泊松比结构隔振板(3)、内前隔板(1)匹配粘接组成，外前隔板(2)和内前隔板(1)焊接分别固定在汽车车身前后侧上，其特征在于：包括以下步骤：
1)基于前隔板的功能进行外前隔板和内前隔板的形状设计，并根据前隔板的形状和尺寸确定负泊松比结构隔振板的尺寸，外前隔板与内前隔板厚度基于原有尺寸厚度，并基于内外隔板厚度与车辆总体设计要求来确定本设计隔板的总体厚度；
2)通过负泊松比结构设计参数的改变建立负泊松比结构隔振板的有限元分析模型；
3)利用最优拉丁超立方体抽样技术和双响应面法建立负泊松比结构汽车前隔板优化目标和优化目标标准偏差的响应面模型；
4)验证响应面模型的精度；
5)利用六西格玛标准建立负泊松比结构汽车前隔板的多目标稳健性优化模型；
6)进行负泊松比结构汽车前隔板多目标稳健性优化。
2.根据权利要求1所述的负泊松比结构汽车前隔板的设计方法，其特征在于：步骤2)的具体方法为：利用负泊松比结构设计参数作为设计变量，在Matlab中通过结构参数关系计算节点的坐标位置，然后利用节点坐标的组合生成有限元网格单元，建立负泊松比结构隔振板的参数化模型。
3.根据权利要求2所述的负泊松比结构汽车前隔板的设计方法，其特征在于：所述负泊松比结构设计参数包括负泊松比结构胞壁的长度、厚度、宽度和胞壁间夹角。
4.根据权利要求1所述的负泊松比结构汽车前隔板的设计方法，其特征在于：步骤3)的具体方法为：
首先，利用最优拉丁超立方体抽样技术来对前隔板的模型生成样本点；
其次，把前隔板的确定性参数样本点放入内矩阵，噪声因子样本点放入内矩阵，通过两个不同矩阵样本点的交叉生成一个新的样本点矩阵，新样本点矩阵中样本点的个数为内矩阵和外矩阵中样本点个数的乘积；
最后，利用双响应面法同时建立对内、外两侧隔板以及负泊松比隔振板的优化目标和优化目标标准偏差的响应面模型，其中二次多项式双响应面法表示如下：
其中，yμ和分别为真实响应值和响应面值的平均值，yσ和/>分别为真实响应值标准差和响应面值标准差的平均值，εμ是真实响应值与响应面值之间的误差，εσ为真实响应值标准差和响应面值标准差之间的误差；b0、C0是待定常数，be、Ce是一次待定系数，bee、Cee是二次同待定系数，bef、Cef是二次待定系数，xexf为设计变量值，e、f＝1,2,3…n，通过最小二乘法求得两者的值。
5.根据权利要求1所述的负泊松比结构汽车前隔板的设计方法，其特征在于：步骤4)的具体方法为：当建立好响应面模型后，采用平方相关系数法、平均绝对偏差法和相对最大绝对误差法三种不同的方法来验证响应面的精度，计算如下：
(2)(3)(4)计算公式分别对应平方相关系数法、平均绝对偏差法和相对最大绝对误差法，R2、RAAE、RMAE分别为三种方法的对应精度；
其中，q为样本点的个数，为响应面模型预测值，yi为真实响应值，真实响应值通过有限元分析得到，/>是真实响应值yi的平均值，i＝1,2,…q；
如果响应面模型的精度不满足要求，则返回到第3)步重新生成新的样本点和对响应面模型进行进一步改进；如果响应面模型的精度满足要求，则进行下一步优化。
6.根据权利要求1所述的负泊松比结构汽车前隔板的设计方法，其特征在于：步骤5)的具体方法为：分析本隔振系统优化目标、优化变量和约束条件，应用六西格玛标准建立负泊松比结构汽车前隔板的多目标稳健性优化模型，如下：
其中，fn是第n个优化目标，n为优化目标的个数；yμn(x)和yσn(x)分别为优化目标和优化目标值的标准差，Consμj和Consσj分别为约束和约束值的标准差，xμ和xσ分别为设计变量和设计变量的标准差，xU和xL分别为设计变量的上边界和下边界；
所述优化目标包括隔振、隔热轻量化，优化变量包括隔振板厚度与尺寸，约束条件包括车辆整体尺寸、形状位置。
7.根据权利要求1所述的负泊松比结构汽车前隔板的设计方法，其特征在于：步骤6)的具体方法为：应用多目标粒子群优化算法针对所设计的前隔板在隔振性能、隔热性能和轻量化性能进行多目标稳健性优化设计，综合考虑优化算法设计以后的车辆的上述隔振、隔热、轻量化等性能上的平衡，最后根据设计需求在多目标解集中选取最优解。
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