一种新型花瓣负泊松比保险杠系统及其多学科优化方法与流程

技术特征：
1.一种新型花瓣负泊松比保险杠系统，其特征在于包括蒙皮、吸能块覆盖板、花瓣负泊松比吸能块、横梁覆盖板、花瓣负泊松比保险杠横梁、吸能盒所述保险杠横梁为圆弧形状的立体负泊松比结构，由大量结构方向相同的花瓣元胞结构周期规则布置构成，且相对于车辆纵向的两面焊接有两块所述横梁覆盖板；所述横梁覆盖板在车辆纵向前方的一块与所述吸能块覆盖板焊接在一起，后方的一块与所述吸能盒的前端焊接在一起；所述吸能盒的后端与车辆的车架焊接在一起；所述横梁吸能块同样为圆弧形状的立体负泊松比结构，由大量结构方向相同的花瓣元胞结构周期规则布置构成，但整体尺寸小于保险杠横梁，且相对于车辆纵向的两面焊接有两块所述吸能块覆盖板；所述吸能块覆盖板在车辆纵向前方的一块与所述蒙皮铆接在一起，后方的一块与所述横梁覆盖板焊接在一起；所述横梁吸能块为圆弧形状的立体负泊松比结构，由大量结构方向相同的内花瓣元胞结构周期规则布置构成，安装在所述保险杠横梁和蒙皮之间的空间中，与蒙皮通过铆钉连接，与保险杠横梁焊接在一起。2.根据权利要求1所述的新型花瓣负泊松比保险杠系统，其特征在于，所述保险杠横梁和横梁覆盖板均采用铝合金材料制成，用于提高系统耐撞性；所述横梁吸能块和所述吸能块蒙版均采用聚丙烯材料制成，用于保护行人。3.根据权利要求2所述的新型花瓣负泊松比保险杠系统，其特征在于，所述新型花瓣负泊松比保险杠系统中的保险杠横梁与现有车辆的刚性保险杠横梁具有相同的外形和尺寸。4.一种新型花瓣负泊松比保险杠系统的多学科优化方法，基于权利要求1-3中任意一项所述系统，其特征在于，包含以下步骤：(1)基于isight软件建立新型花瓣负泊松比保险杠系统有限元模型、汽车正面碰撞有限元模型、行人小腿有限元模型和刚性墙有限元仿真模型；(2)确定新型花瓣负泊松比保险杠系统的参数和系统与行人碰撞和发生正面碰撞的性能评价指标(即优化目标)；(3)根据步骤(2)确定的系统参数和评价指标，对每个参数分别取三个水平的值进行试验，即最大变动量、最小变动量和中间值，得到试验数据，分析每个参数的灵敏度，选取对应的设计变量；(4)基于步骤(3)中的优化目标和设计变量选取结果，加入保险杠质量作为轻量化目标，建立各个优化目标与设计变量之间的近似模型；(5)结合步骤(4)中建立的近似模型，基于多学科优化方法建立新型保险杠优化模型；(6)通过isight软件搭建优化模型，基于步骤(1)建立的有限元模型进行新型花瓣负泊松比保险杠系统的参数优化。5.根据权利要求4所述的新型花瓣负泊松比保险杠系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定的系统参数为：吸能块的单胞底边长d
abs
、吸能块的单胞底边和斜边夹角θ
abs
、吸能块的单胞高度h
abs
、吸能块的单胞壁厚t
abs
、保险杠横梁的单胞底边长d
bum
、保险杠横梁的单胞底边和斜边夹角θ
bum
、保险杠横梁的单胞壁厚t
bum
、保险杠横梁的单胞斜边长l
bum
；行人碰撞下的性能评价指标为：胫骨最大加速度(acc
p
)、膝部最大剪切位移(s
p
)、膝
部最大弯曲角(ben)、行人碰撞保险杠系统吸能量(e
p
)；正面碰撞下的性能指标为：驾驶员座椅下方加速度(acc
c
)、蒙皮纵向侵入位移(s
c
)、刚性墙作用力(f
w
)、正碰保险杠系统吸能量(e
c
)。6.根据权利要求5所述的新型花瓣负泊松比保险杠系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中各优化目标与设计变量间的近似模型采用二阶响应面法建立，具体模型如下：(41)行人碰撞下各优化目标近似模型：胫骨上端最大加速度近似模型：膝关节最大剪切位移近似模型：膝关节最大弯曲角度近似模型：保险杠系统吸能量近似模型：(42)正面碰撞下各优化目标近似模型：驾驶员座椅下方加速度近似模型：
蒙皮纵向侵入位移近似模型：刚性墙作用力近似模型：正碰保险杠系统吸能量：(43)系统总质量近似模型：7.根据权利要求6所述的新型花瓣负泊松比保险杠系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤(5)中的新型保险杠优化模型建立步骤如下：
(51)将新型花瓣负泊松比保险杠系统的优化设计问题转化为一个系统级优化问题，拆分为主系统和两个子系统，主系统优化目标为：提高保险杠系统的综合性能以及轻量化；行人碰撞子系统和正面碰撞子系统的优化目标分别为：行人保护和正碰耐撞性；(52)根据行人碰撞下确定的设计变量和正面碰撞下确定的设计变量，确定两者的耦合设计变量；(53)利用综合指标f将不同子系统中的不同响应联系起来，表示为：式中，权重值ω＝ω
e
＝ω
a
＝0.5；e
′0和e
″0分别表示行人碰撞和正面碰撞的初始设计保险杠系统的吸能量；acc
′
和acc
″
分别表示行人碰撞和正面碰撞的初始设计保险杠系统的驾驶员座椅下方加速度。(54)以综合性能指标和负泊松比保险杠质量为主系统优化目标，以新型花瓣负泊松比保险杠系统的全部设计变量的变化范围，行人碰撞中的膝部剪切位移、膝部弯曲角，正面碰撞中的蒙皮纵向侵入位移、刚性墙作用力，以及两个子系统中全部设计变量范围与耦合设计变量的最大差异值为约束，构建主系统优化模型：式中，j
ped
和j
cra
分别是行人碰撞子系统和正面碰撞子系统的优化目标；ε
ped
和ε
cra
分别为行人碰撞和正面碰撞子系统的设定的收敛误差阈值；d为实际误差；x
′
和x
″
分别为行人碰撞和正面碰撞下初始设计保险杠系统中x变量初始值，x＝[t
abs
，t
bum
，l
bum
，h
abs
]。(55)构建行人碰撞子系统优化模型和正面碰撞子系统优化模型：行人碰撞子系统优化模型：
正面碰撞子系统优化模型：8.根据权利要求7所述的新型花瓣负泊松比保险杠系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤(6)中的优化步骤如下：(61)在isight软件中搭建各优化模型；(62)子系统优化：采用了基于t分布麻雀搜索算法(t-ssa)进行子系统的优化，得到各子系统中对应的设计变量优化值，除耦合设计变量外的设计变量的最终结果即从当前优化结果中选取；(63)总系统优化：采用自适应多目标粒子群算法amopso对耦合设计变量进行优化，得到耦合设计变量优化值，并在其中选取最终的耦合设计变量最终优化结果。

技术总结
本发明公开了一种新型花瓣负泊松比保险杠系统及其多学科优化方法，结合负泊松比结构轻质，高能量吸收特性和抗冲击能力的特点，提出一种基于花瓣负泊松比材料的新型保险杠系统，系统包括蒙皮、吸能块覆盖板、花瓣负泊松比吸能块、横梁覆盖板、花瓣负泊松比保险杠横梁、吸能盒；此外，通过对材料微观结构参数的优化实现其宏观力学性能，实现了在不改变原有保险杠横梁耐撞性的同时，进一步降低行人小腿所受到的伤害，实现了保险杠系统对耐撞性和行人保护性能的兼顾。护性能的兼顾。护性能的兼顾。


技术研发人员：王崴崴 赵万忠 王春燕
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.10.14
技术公布日：2022/2/23