CN110341615A - 一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法，通过龟壳盾片的拓扑仿生设计一种外防护系统，对龟壳盾片的形状、角度、结构组成等进行仿生设计，使底盘防护系统具有更好的爆炸冲击能量转移性能；建立轴向梯度双箭头型仿生负泊松比结构将双箭头型仿生负泊松比结构用于内防护层结构设计，使内防护层具有更好的爆炸冲击能量吸收性能、耐久性和降低重量；建立双重仿生汽车底盘防护系统的自适应参数化模型，通过对爆炸损伤机理的研究提出新型汽车仿生防护系统的快速优化设计方法，对内防护层厚度、外防护层厚度、负泊松比结构的梯度及微观结构设计参数进行优化设计，从而进一步提高新型双重仿生防护系统的防爆炸性能。

Description

一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法

技术领域

本发明属于汽车被动安全技术领域，具体涉及一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法。

背景技术

汽车特别是装甲汽车的底盘防护对于汽车的被动安全性具有非常重要的意义，当汽车遇到地雷等爆炸冲击时，需要尽可能的减少爆炸能量向汽车底盘侧的传递，如果底盘防护系统阻断的传递能量较少，将对车内的人员安全造成极大影响，甚至造成死亡，因此底盘防护系统设计的好坏对于装甲车的安全具有重要意义。

汽车底盘防护系统在遭受到底部爆炸等冲击时主要通过转移和吸收爆炸能量来阻断冲击能量向汽车车体的传递。传统汽车底盘防护系统主要通过采用高强度钢护板和增加钢板厚度来提升防护系统对冲击能量的隔断，该方法不能很好的吸收爆炸能量，且容易产生较大的变形，防护效果差，不能对汽车进行很好的防护。装甲车研究机构和生产厂家提出了一种V型装甲车防护系统，V型防护系统的角度大约为20°，与传统平板式钢板防护板相比，V型防护系统可以使爆炸冲击波的能量偏转扩散，减少传递到乘员室的能量，提升汽车底盘防护系统的抗击力，同时还可以降低由爆炸冲击波而导致的巨大颠簸，从而减少乘员伤亡。但是由于V型结构的拓扑形状和材料的限制，系统质量过重，且当爆炸冲击能量较大，V型防护系统仍存在着不能有效转移和吸收爆炸能量的问题，不能很好地对装甲车乘员提供保护。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的汽车防护系统在遭遇爆炸冲击时转移和吸收冲击能量有限，不能有效的保护乘员和质量过重等不足，本发明提供一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法，可广泛应用于不同装甲车的底盘防护系统设计中。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法，包括内防护层、外防护层、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统。防护系统通过螺栓与汽车底盘连接在一起，当汽车不需要防护时，通过螺栓拆除防护系统。外防护层、内防护层和双箭头型仿生负泊松比结构防护系统的曲面形状和大小一致，三者粘贴在一起，外表形状基于龟壳盾片的拓扑结构仿生设计，外防护层在底盘防护系统的最外表面。外防护层由铝合金等具有高塑性材料的金属组成，内防护层由抗疲劳与加工性良好的编织纤维复合材料组成，双箭头型仿生负泊松比结构基于人体骨骼肌仿生学设计原理进行设计，其由支撑加强结构、负泊松比结构和填充泡沫组成，负泊松比结构单元在三个方向排列，且双箭头型仿生负泊松比结构在防护系统的轴线上梯度分布。

一种双重仿生汽车底盘防护系统的设计方法，包括以下步骤：

1)利用Bezier曲面设计仿龟壳盾片形状的底盘防护系统；基于龟壳盾片在转移冲击能量方面的仿生学原理，综合考虑防护系统的功能实现和重量限制，通过借鉴其形状、结构和功能原理，利用Bezier曲面设计仿生外防护系统中单元盾片的拓扑形状、数量、排列方式及整体防护系统的三维曲率，优化内外防护系统的能量分配以及各防护层之间的连接关系(采用焊、粘、铆或其他方式)；增强汽车底盘仿生外防护层的爆炸冲击能量转移性能，降低底盘内防护层的能量吸收要求，从而显著提升汽车底盘结构的完整性和降低车内乘员的受伤几率，同时有效降低外防护系统的重量。

2)基于人体骨骼肌仿生学原理设计双箭头型仿生负泊松比结构；将人体骨骼肌的结构和功能原理移植于双箭头型仿生负泊松比结构设计中，通过合理设计负泊松比结构和支撑加强结构，使负泊松比结构类似于横纹肌(人体在运动时，骨骼起到支撑作用，横纹肌作为骨骼之间的连接物，起缓冲与运动包裹作用)，通过和支撑加强结构的有效融合来使双箭头型仿生负泊松比结构具有较好的弹性，有效缓冲和吸收外力对结构的冲击；支撑加强结构则类似于骨骼，使双箭头型仿生负泊松比结构具有较高的刚度和强度从而更好地抵御外界冲击，同时使结构内部不容易产生应力集中，显著提升可靠性。最后，通过将双箭头型仿生负泊松比结构用于内防护层结构设计，使内防护层具有更好的冲击能量吸收性能。

3)建立双重仿生汽车底盘防护系统的参数化模型；首先建立双箭头型仿生负泊松比结构的参数化模型，建立模型时，选取负泊松比结构基本单元胞壁间夹角、胞壁宽度、胞壁厚度、胞壁长度、支撑加强结构的高度和半径等参数作为设计变量，并利用双箭头型仿生负泊松比结构基本单元设计变量之间的参数关系来建立双箭头型仿生负泊松比结构防护系统的参数化模型；选取Bezier曲面的控制点坐标作为内防护层和外防护层参数化模型的设计变量，从而建立内防护层和外防护层参数化模型；最后将双箭头型仿生负泊松比结构防护系统参数化模型和内、外防护层参数化模型结合从而建立双重仿生汽车底盘防护系统参数化模型，从而实现可通过设计参数的改变快速建立双重仿生汽车底盘防护系统的有限元模型。

4)建立双重仿生汽车底盘防护系统的高效计算响应面模型；首先利用最优拉丁方实验设计方法来生成响应面模型的样本点，生成样本点的过程中应使矩阵中的各个样本点的因子水平分布尽可能的均匀，为提高响应面模型的精度奠定基础。然后在双重仿生汽车底盘防护系统参数化模型的基础上调用响应面函数方法来生成系统的高效计算二阶响应面模型，可得到：

Y＝F(X)'+ε (1)

其中：Y为响应量，X为n维设计自变量，X＝[x₁,x₂,...,x_n]，a、b、c、d为响应面函数系统，通过使分析值和近似值之间的误差最小来确定其值。建立好模型后，采用R²检验来检测双重仿生汽车底盘防护系统系统响应面模型的构造精度问题，如精度不满足要求则利用利用最优拉丁方实验设计方法生成更多的样本点来更新响应面模型，若满足要求则进行下一步。

5)利用NSGA-II多目标遗传算法对双重仿生汽车底盘防护系统的设计参数进行多目标优化，并选取双重仿生汽车底盘防护系统的最优设计解；首先基于双重仿生汽车底盘防护系统的最大能量吸收和质量最轻为优化目标，考虑结构的应力集中和零件制造等约束，建立双重仿生汽车底盘防护系统的多目标优化模型，然后利用NSGA-II多目标遗传算法搜索双重仿生汽车底盘防护系统设计参数的Pareto解集，由于多目标优化问题中不同目标的最优解一般不相同甚至是矛盾的，最后根据不同优化目标的权重选取双重仿生汽车底盘防护系统的最优设计解，从而进一步提升双重仿生汽车底盘防护系统的性能。

有益效果：本发明提供的一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法，与现有技术相比，具有以下优势：

(1)基于龟壳盾片在转移冲击能量方面的仿生学原理，综合考虑防护系统的功能实现和重量限制，通过借鉴其形状、结构和功能原理来设计仿生外防护系统中单元盾片的拓扑形状，显著增强军车底盘仿生外防护系统的爆炸冲击能量转移性能，降低底盘内防护系统的能量吸收要求，从而显著提升汽车底盘结构的完整性和降低车内乘员的受伤几率，同时有效降低外防护系统的重量。

(2)基于双箭头型负泊松比结构，将人体骨骼肌的结构和功能原理移植于双箭头型仿生负泊松比结构设计中，通过合理设计双箭头型负泊松比结构和支撑加强结构，使双箭头型负泊松比结构类似于横纹肌，通过和支撑加强结构的有效融合来使双箭头型仿生负泊松比结构具有较好的弹性，有效缓冲和吸收外力对结构的冲击；支撑加强结构则类似于骨骼，使双箭头型仿生负泊松比结构具有较高的刚度和强度从而更好地抵御外界冲击，同时使结构内部不容易产生应力集中，显著提升可靠性。

附图说明

图1是本发明双重仿生汽车底盘防护系统的示意图。

图2是仿生负泊松比梯度结构示意图。

图3是本发明的双重仿生汽车底盘防护系统设计原理图。

图1中，1为内防护层、2为外防护层、3为双箭头型仿生负泊松比结构防护系统。

具体实施方式

本发明公开了一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法，该系统包括外防护层、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统和内防护层，其中外防护层由金属组成，内防护层由编织纤维复合材料组成，双箭头型仿生负泊松比结构防护系统由支撑加强结构、负泊松比结构和填充泡沫组成，负泊松比结构单元在三个方向排列，且双箭头型仿生负泊松比结构在防护系统的轴线上梯度分布。通过龟壳盾片的拓扑仿生设计一种外防护系统，对龟壳盾片的形状、角度、结构组成等进行仿生设计，使底盘防护系统具有更好的爆炸冲击能量转移性能；将双箭头型仿生负泊松比结构用于内防护层结构设计，使内防护层具有更好的爆炸冲击能量吸收性能、耐久性和降低重量；建立双重仿生汽车底盘防护系统的自适应参数化模型，通过对爆炸损伤机理的研究提出新型汽车仿生防护系统的快速优化设计方法，对内防护层厚度、外防护层厚度、负泊松比结构的梯度及微观结构设计参数进行优化设计，从而进一步提高新型双重仿生防护系统的防爆炸性能。

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例

如图1所示，本发明开发了一种双重仿生汽车底盘防护系统，包含内防护层、外防护层、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统。防护系统通过螺栓与汽车底盘连接在一起，当汽车不需要防护时，通过螺栓拆除防护系统。外防护层、内防护层和双箭头型仿生负泊松比结构防护系统的曲面形状和大小一致，三者粘贴在一起，外表形状基于龟壳盾片的拓扑结构仿生设计，外防护层在底盘防护系统的最外表面。外防护层由金属组成，内防护层由编织纤维复合材料组成，双箭头型仿生负泊松比结构基于人体骨骼肌仿生学设计原理进行设计，其由支撑加强结构、负泊松比结构和填充泡沫组成，负泊松比结构单元在三个方向排列，且双箭头型仿生负泊松比结构在防护系统的轴线上梯度分布。如图2所示，具体的梯度分布方式为：在轴向方向依次采用4：2：1：4：2：1的负泊松比结构梯度分布，因负泊松比结构形状固定，在4：2：1中的2：1为了维持整体负泊松比结构的规整性与稳定性，将单个负泊松比结构尺寸进行放大两倍与四倍，以此维持原有负泊松比结构数量梯度4：2：1的比值。

具体的设计方法如图3所示。

设计过程中首先基于龟壳盾片在转移冲击能量方面的仿生学原理，综合考虑防护系统的功能实现和重量限制，通过借鉴其形状、结构和功能原理，利用Bezier曲面设计仿生外防护系统中单元盾片的拓扑形状、数量、排列方式及整体防护系统的三维曲率，增强汽车底盘仿生外防护层的爆炸冲击能量转移性能，降低底盘内防护层的能量吸收要求，从而显著提升汽车底盘结构的完整性和降低车内乘员的受伤几率，同时有效降低外防护系统的重量。

然后将人体骨骼肌的结构和功能原理移植于双箭头型仿生负泊松比结构设计中，通过合理设计负泊松比结构和支撑加强结构，使负泊松比结构类似于横纹肌，通过和支撑加强结构的有效融合来使双箭头型仿生负泊松比结构具有较好的弹性，有效缓冲和吸收外力对结构的冲击；支撑加强结构则类似于骨骼，使双箭头型仿生负泊松比结构具有较高的刚度和强度从而更好地抵御外界冲击，同时使结构内部不容易产生应力集中，显著提升可靠性。最后，通过将双箭头型仿生负泊松比结构用于内防护层结构设计，使内防护层具有更好的冲击能量吸收性能。

去除内防护层、外防护层、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统以外，考虑汽车底盘防护系统的非此三类形状参数的设计，参考车辆底盘平整性设计、最小离地间隙设计，用以满足车辆整体性与协调性的统一。

其次是建立双重仿生汽车底盘防护系统的参数化模型，先建立双箭头型仿生负泊松比结构的参数化模型，建立模型时，选取负泊松比结构基本单元胞壁间夹角、胞壁宽度、胞壁厚度、胞壁长度、支撑加强结构的高度和半径等参数作为设计变量，并利用双箭头型仿生负泊松比结构基本单元设计变量之间的参数关系来建立双箭头型仿生负泊松比结构防护系统的参数化模型；选取Bezier曲面的控制点坐标作为内防护层和外防护层参数化模型的设计变量，从而建立内防护层和外防护层参数化模型；将双箭头型仿生负泊松比结构防护系统参数化模型和内、外防护层参数化模型结合从而建立双重仿生汽车底盘防护系统参数化模型，从而实现可通过设计参数的改变快速建立双重仿生汽车底盘防护系统的有限元模型。

再次是建立双重仿生汽车底盘防护系统的高效计算响应面模型，先利用最优拉丁方实验设计方法来生成响应面模型的样本点，生成样本点的过程中应使矩阵中的各个样本点的因子水平分布尽可能的均匀，为提高响应面模型的精度奠定基础。然后在双重仿生汽车底盘防护系统参数化模型的基础上调用响应面函数方法来生成系统的高效计算二阶响应面模型，可得到：

Y＝F(X)'+ε (1)

其中：Y为响应量，X为n维设计自变量，X＝[x₁,x₂,...,x_n]，a、b、c、d为响应面函数系统，通过使分析值和近似值之间的误差最小来确定其值。建立好模型后，采用R²检验来检测双重仿生汽车底盘防护系统系统响应面模型的构造精度问题，如精度不满足要求则利用利用最优拉丁方实验设计方法生成更多的样本点来更新响应面模型，若满足要求则进行下一步。

最后基于双重仿生汽车底盘防护系统的最大能量吸收和质量最轻为优化目标，考虑结构的应力集中和零件制造等约束，建立双重仿生汽车底盘防护系统的多目标优化模型，然后利用NSGA-II多目标遗传算法搜索双重仿生汽车底盘防护系统设计参数的Pareto解集，由于多目标优化问题中不同目标的最优解一般不相同甚至是矛盾的，根据不同优化目标的权重选取双重仿生汽车底盘防护系统的最优设计解，从而进一步提升双重仿生汽车底盘防护系统的性能。

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 (10)

1.一种双重仿生汽车底盘防护系统，其特征在于：包括由内至外依次粘贴在一起的内防护层(1)、外防护层(2)、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统(3)；所述内防护层(1)、外防护层(2)、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统(3)的曲面形状和大小均一致；所述双箭头型仿生负泊松比结构防护系统(3)在该底盘防护系统的最外表面；该底盘防护系统与汽车底盘连接在一起。

2.根据权利要求1所述的双重仿生汽车底盘防护系统，其特征在于：所述内防护层(1)由编织纤维复合材料层层叠加组成；所述外防护层(2)由金属叠加组成。

3.根据权利要求1所述的双重仿生汽车底盘防护系统，其特征在于：所述双箭头型仿生负泊松比结构防护系统(3)由外侧到内侧依次是支撑加强结构、负泊松比结构和填充泡沫负泊松比结构单元在横向、纵向、轴向三个方向排列拓展，且所述双箭头型仿生负泊松比结构防护系统(3)在该底盘防护系统的轴线上梯度分布，具体为在轴向方向依次采用按照数量比例为4：2：1：4：2：1的负泊松比结构梯度分布。

4.根据权利要求1所述的双重仿生汽车底盘防护系统，其特征在于：利用多目标优化算法以三层防护结构的厚度为优化目标进行计算并优化所述内防护层(1)、外防护层(2)、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统(3)的三者之间排列厚度关系达到优化防护系统碰撞吸能效果与三层防护层总质量之间的最优解；利用单目标优化算法优化计算并优化所述内防护层(1)、外防护层(2)、双箭头型仿生负泊松比结构防护系统(3)的曲面形状角度和曲面覆盖距离大小，其外表形状基于龟壳盾片的拓扑结构仿生设计，达到优化最小离地间隙的目的。

5.根据权利要求1至4任一所述的双重仿生汽车底盘防护系统的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)利用Bezier曲面设计仿龟壳盾片形状的底盘防护系统；

2)基于人体骨骼肌仿生学原理设计双箭头型仿生负泊松比结构；

3)计算汽车底盘防护系统的非决定形状参数；

4)建立双重仿生汽车底盘防护系统的参数化模型；

5)建立双重仿生汽车底盘防护系统的高效计算响应面模型；

6)利用NSGA-II多目标遗传算法对双重仿生汽车底盘防护系统的设计参数进行多目标优化，并选取双重仿生汽车底盘防护系统的最优设计解；所述设计参数包括内防护层厚度、外防护层厚度、负泊松比结构的梯度及该底盘防护系统曲面形状及大小。

6.根据权利要求5所述的双重仿生汽车底盘防护系统的设计方法，其特征在于：步骤1)的具体方法为：基于龟壳盾片在转移冲击能量方面的仿生学原理，综合考虑防护系统的功能实现和重量限制，通过借鉴其形状、角度、结构和功能原理，利用Bezier曲面设计仿生外防护系统中单元盾片的拓扑形状、数量、排列方式及整体防护系统的三维曲率，优化内外防护系统的能量分配以及各防护层之间的连接关系；

步骤2)的具体方法为：将人体骨骼肌的结构和功能原理移植于双箭头型仿生负泊松比结构设计中，使负泊松比结构类似于横纹肌，支撑加强结构类似于骨骼；最后，通过将双箭头型仿生负泊松比结构用于与内防护层进行贴合的结构设计，增加内防护层的冲击能量吸收性能。

7.根据权利要求5所述的双重仿生汽车底盘防护系统的设计方法，其特征在于：步骤3)的具体方法为：参考车辆底盘平整性设计、最小离地间隙设计，用以满足车辆整体性与协调性的统一。

8.根据权利要求5所述的双重仿生汽车底盘防护系统的设计方法，其特征在于：步骤4)的具体方法为：

首先建立双箭头型仿生负泊松比结构的参数化模型，建立模型时，选取负泊松比结构基本单元的相应参数作为设计变量，包括胞壁间夹角、胞壁宽度、胞壁厚度、胞壁长度、支撑加强结构的高度和半径；并利用双箭头型仿生负泊松比结构基本单元设计变量之间的参数关系来建立双箭头型仿生负泊松比结构防护系统的参数化模型；

然后选取Bezier曲面的控制点坐标作为内防护层和外防护层参数化模型的设计变量，建立内防护层和外防护层参数化模型；

最后将双箭头型仿生负泊松比结构防护系统参数化模型和内、外防护层参数化模型结合，建立双重仿生汽车底盘防护系统参数化模型，实现可通过设计参数的改变快速建立双重仿生汽车底盘防护系统的有限元模型。

9.根据权利要求5所述的双重仿生汽车底盘防护系统的设计方法，其特征在于：步骤5)的具体方法为：

首先利用最优拉丁方实验设计方法来生成响应面模型的样本点，生成样本点的过程中使矩阵中的各个样本点的因子水平分布均匀；

然后在双重仿生汽车底盘防护系统参数化模型的基础上，调用响应面函数方法来生成系统的高效计算二阶响应面模型，得到：

Y＝F(X)'+ε (1)

其中：Y为响应量，X为N维设计自变量，X=[x₁，x₂，x₃，...，x_N]

a、b、c、d为响应面函数系统，通过使分析值和近似值之间的误差最小来确定其值；ε是拟合误差，为噪声因素，服从正态分布N(0,σ_Y^2)，x_i、x_p为设计变量值p、i＝1,2,3,…N，b_i、c_ij、d_i为响应面的回归系数；

建立好模型后，采用R²检验来检测双重仿生汽车底盘防护系统系统响应面模型的构造精度问题，如精度不满足要求则利用最优拉丁方实验设计方法生成更多的样本点来更新响应面模型，若满足要求则进行下一步。

10.根据权利要求5所述的双重仿生汽车底盘防护系统的设计方法，其特征在于：步骤6)的具体方法为：

首先基于双重仿生汽车底盘防护系统的最大能量吸收和质量最轻为优化目标，考虑包括结构的应力集中和零件制造在内的约束，建立双重仿生汽车底盘防护系统的多目标优化模型；

然后利用NSGA-II多目标遗传算法搜索双重仿生汽车底盘防护系统设计参数的Pareto解集；

最后根据不同优化目标的权重选取双重仿生汽车底盘防护系统的最优设计解。