一種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱及其設(shè)計(jì)方法與流程

本發(fā)明涉及汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，其特別是有關(guān)于一種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，位于汽車前部的包含轉(zhuǎn)向管柱和方向盤在內(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要向后即駕駛員方向運(yùn)動(dòng)，而駕駛員由于慣性的影響會(huì)產(chǎn)生向前的運(yùn)動(dòng)，從而駕駛員很容易受到方向盤的傷害，方向盤對(duì)駕駛員胸腹部的撞擊為汽車正面碰撞交通事故中非常常見的一種損傷類型。碰撞接觸過程中轉(zhuǎn)向管柱需要通過吸收能量以防止超出人體承受能力的碰撞力傷害駕駛員。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)在碰撞過程中方向盤向上部及后部移動(dòng)，移動(dòng)位移量較大，容易對(duì)人體造成較大傷害。吸能式轉(zhuǎn)向管柱能更好的吸收碰撞過程中的能量，緩解方向盤對(duì)駕駛員的沖擊。例如中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN101254794A、CN101570213A等分別公開了一種吸能式汽車轉(zhuǎn)向管柱，能夠有效地減小方向盤的位移量,提高車輛的被動(dòng)安全性。通常，吸能汽車轉(zhuǎn)向管柱主要通過轉(zhuǎn)向軸吸能、套筒總成吸能和安裝支架總成吸能三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)吸能。盡管通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和變形能夠有效的減輕駕駛員在汽車發(fā)生碰撞時(shí)的傷害，但是存在著碰撞過程吸收的能量有限，變形吸能機(jī)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的可靠性降低和成本較高等不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱及其設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中轉(zhuǎn)向管柱在汽車碰撞過程中吸收的能量有限、變形吸能機(jī)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)的可靠性降低和成本較高等不足。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明提出一種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱，包括：上管柱殼體；下管柱殼體，連接上述上管柱殼體；負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯，同時(shí)設(shè)置在上管柱殼體和上述下管柱殼體的內(nèi)部；轉(zhuǎn)向管柱安裝支架，用于固定至車身；轉(zhuǎn)向管柱上支架，設(shè)置在上管柱殼體和轉(zhuǎn)向管柱安裝支架之間，用于承載上管柱殼體；轉(zhuǎn)向管柱下支架，設(shè)置在下管柱殼體和轉(zhuǎn)向管柱安裝支架之間，用于承載下管柱殼體。

進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)向管柱安裝支架還包括轉(zhuǎn)向管柱安裝支架加強(qiáng)板，連接至車身。

本發(fā)明的另一方面還提出一種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱的設(shè)計(jì)方法，包括：

1)根據(jù)轉(zhuǎn)向管柱的形狀特征，確定負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯在X、Y、Z三個(gè)方向上的單元數(shù)，同時(shí)根據(jù)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的基本組成單元的設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系，在Matlab中建立負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯的參數(shù)化模型，通過更改設(shè)計(jì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)模型的建立；

2)利用拉丁超立方采樣方法生成樣本點(diǎn)，然后基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯的參數(shù)化模型求取響應(yīng)值，從而建立初始近似模型；

3)獲取負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)并根據(jù)重要性將樣本點(diǎn)進(jìn)行分組，分成七組；

4)根據(jù)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯代理模型計(jì)算分組后的各個(gè)樣本點(diǎn)組中樣本點(diǎn)的重要性及每個(gè)樣本點(diǎn)組中樣本點(diǎn)的數(shù)量多少，對(duì)樣本點(diǎn)組賦予權(quán)值：

式(2)中，n_i表示第i組代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)組中樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)；j表示某一特定樣本點(diǎn)共在j個(gè)近似模型中出現(xiàn)的次數(shù)；K是代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)數(shù)量的n倍；

根據(jù)計(jì)算的權(quán)值，在各負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)組中選擇新的有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)，七組樣本組中選擇的樣本點(diǎn)數(shù)量分別為：

k_i＝round(ω_i×m),i＝1,2,...,7 (4)

式中，m為選擇的計(jì)算樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

5)檢驗(yàn)所選樣本點(diǎn)是否達(dá)到最優(yōu)：在選出新的有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)后根據(jù)設(shè)計(jì)最優(yōu)條件來驗(yàn)證上一步所選樣本點(diǎn)是否達(dá)到最優(yōu)，其中，滿足負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯設(shè)計(jì)最優(yōu)的終止條件為：5個(gè)最大函數(shù)值的差值可以忽略不計(jì)時(shí)或者

其中，f_j是第j個(gè)最小的函數(shù)值，ε是初始指定的一個(gè)很小的常值；

如果上述所選的樣本點(diǎn)不能滿足終止條件，則將新產(chǎn)生的有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)和先前的樣本點(diǎn)組成新的樣本點(diǎn)組，然后重復(fù)尋優(yōu)設(shè)計(jì)步驟，直到滿足終止條件，從而使負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；

6)基于最優(yōu)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型快速生成負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯和轉(zhuǎn)向管柱的有限元模型，進(jìn)行汽車碰撞有限元分析從而對(duì)轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

進(jìn)一步地，所述步驟1)中建立參數(shù)化模型時(shí)，選取負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)元胞薄壁間的夾角、薄壁的長度、薄壁的厚度、薄壁的長度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

進(jìn)一步地，所述步驟2)建立初始近似模型過程中，采用拉丁超立方采樣方法生成初始有限元模型的計(jì)算樣本點(diǎn)，從而利用初始有限元模型的計(jì)算樣本點(diǎn)構(gòu)造初始近似模型，即初始負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯近似模型；

在使用拉丁超立方采樣方法生成W個(gè)初始點(diǎn)即初始有限元模型的計(jì)算樣本點(diǎn)后，調(diào)用初始有限元模型分別計(jì)算樣本點(diǎn)的函數(shù)值來生成三個(gè)不同的近似模型，分別是克里金代理模型K(x)、徑向基函數(shù)代理模型R(x)和二階多項(xiàng)式響應(yīng)面代理模型Q(x)，其中W個(gè)初始點(diǎn)的具體數(shù)量由設(shè)計(jì)變量決定：

W＝(n+1)*(n+2)/2

式中，n為負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量。

進(jìn)一步地，所述步驟3)的樣本點(diǎn)分組具體包括：

首先通過拉丁超立方采樣方法生成大量樣本點(diǎn)；

再用步驟2)生成的三種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯近似模型分別計(jì)算樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值，根據(jù)樣本點(diǎn)函數(shù)值大小按照升序原則將樣本點(diǎn)排列，在三組樣本點(diǎn)排列中分別選取t個(gè)函數(shù)值最大的樣本點(diǎn)作為三種近似模型的代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)為A—K(x)，B—R(x)，C—Q(x)，50<t<300；

再按照選出最有可能接近最優(yōu)點(diǎn)的樣本點(diǎn)的原則，按樣本點(diǎn)將代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)進(jìn)行分組，分成七組。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的轉(zhuǎn)向管柱的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的轉(zhuǎn)向管柱在汽車正面碰撞過程中，利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的壓縮-壓縮特性和變剛度特性，在碰撞過程初始階段最大程度的提高系統(tǒng)的能量吸收，在碰撞結(jié)尾階段則減少系統(tǒng)的變形量，從而減少碰撞過程中的方向盤侵入量。

2、使用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯，根據(jù)轉(zhuǎn)向管柱的形狀特征，確定負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯在X、Y、Z三個(gè)方向上的單元數(shù)，相比吸能式轉(zhuǎn)向管柱省去了傳統(tǒng)吸能結(jié)構(gòu)，在汽車正面碰撞過程中利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的特殊變形方式和能量吸收特性，通過負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)管柱的合理變形，對(duì)人體起到緩沖作用，顯著降低人體所受碰撞力，提高汽車的被動(dòng)安全性，且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高和具有較低的成產(chǎn)成本。

3、根據(jù)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)元胞的設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系建立負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯的參數(shù)化模型，同時(shí)采用多種不同元模型組合優(yōu)化的方式，可根據(jù)不用的汽車結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱的設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱最大程度的吸能，提高汽車的被動(dòng)安全性和結(jié)構(gòu)的可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)元胞的設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖。

圖3是本發(fā)明的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱的設(shè)計(jì)方法的流程圖。

圖1中，1為負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯、2為上管柱殼體，3為轉(zhuǎn)向管柱上支架，4為轉(zhuǎn)向管柱安裝支架，5為轉(zhuǎn)向管柱安裝支架加強(qiáng)板，6為轉(zhuǎn)向管柱下支架，7為下管柱殼體。

具體實(shí)施方式

為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說明如下。

結(jié)合圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱包括：上管柱殼體2；下管柱殼體7，連接上管柱殼體2；負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯1，同時(shí)設(shè)置在上管柱殼體2和下管柱殼體7的內(nèi)部；轉(zhuǎn)向管柱安裝支架4，用于固定至車身(圖中未畫出)；轉(zhuǎn)向管柱上支架3，設(shè)置在上管柱殼體2和轉(zhuǎn)向管柱安裝支架3之間，用于承載上管柱殼體2；轉(zhuǎn)向管柱下支架6，設(shè)置在下管柱殼體7和轉(zhuǎn)向管柱安裝支架3之間，用于承載下管柱殼體7。

優(yōu)選地，轉(zhuǎn)向管柱安裝支架3還包括轉(zhuǎn)向管柱安裝支架加強(qiáng)板5，連接至車身(圖中未畫出)，用于加強(qiáng)轉(zhuǎn)向管柱安裝的剛度。

如圖3所示，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱的具體設(shè)計(jì)流程如下：

首先根據(jù)轉(zhuǎn)向管柱的形狀特征，確定負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯在X、Y、Z三個(gè)方向上的單元數(shù)，同時(shí)根據(jù)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)元胞的設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系來建立負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯的參數(shù)化模型。具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)快速建立負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)有限元分析模型。建立參數(shù)化模型時(shí)，選取負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)元胞薄壁間的夾角、薄壁的長度、薄壁的厚度、薄壁的長度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，如圖2所示，我們采用拉丁超立方采樣方法生成初始有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)，從而利用初始有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)構(gòu)造初始近似模型。

利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯的參數(shù)化模型建立初始近似模型，為使試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)在設(shè)計(jì)空間能盡可能的均勻分布，提高初始負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯近似模型的精度及計(jì)算效率，在生成初始有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)時(shí)采用拉丁超立方采樣方法，從而利用初始有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)構(gòu)造初始負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯近似模型。在使用拉丁超立方采樣方法生成36個(gè)初始點(diǎn)后，調(diào)用有限元模型分別計(jì)算樣本點(diǎn)的函數(shù)值來生成三個(gè)不同的近似模型，分別是克里金代理模型K(x)、徑向基函數(shù)代理模型R(x)和二階多項(xiàng)式響應(yīng)面代理模型Q(x)。

首先通過拉丁超立方采樣方法生成2000個(gè)樣本點(diǎn)。用上一步生成的三種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯近似模型分別計(jì)算樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。根據(jù)樣本點(diǎn)函數(shù)值大小按照升序要求將樣本點(diǎn)排列，在三組樣本點(diǎn)排列中分別選取100個(gè)函數(shù)值最大的樣本點(diǎn)作為三種近似模型的代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)為A—K(x)，B—R(x)，C—Q(x)。按照選出最有可能接近最優(yōu)點(diǎn)的樣本點(diǎn)的原則將樣本點(diǎn)將代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)分組，經(jīng)過合適的分組能大大提高選中最優(yōu)點(diǎn)的概率。

例如，只在代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)組A或者B或者C中出現(xiàn)的樣本點(diǎn)概率是最小的，在A、B或者B、C以及A、C中出現(xiàn)的點(diǎn)概率較大一些，而在A、B、C中同時(shí)出現(xiàn)的樣本點(diǎn)接近最優(yōu)點(diǎn)的概率則最大。經(jīng)過分組后，形成七組樣本點(diǎn)，分別是：D＝A∩B∩C；E＝A∩B；F＝B∩C；G＝A∩C；H＝A-(E∪F)；I＝B-(E∪G)；J＝C-(E∪H)。

根據(jù)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)組中樣本點(diǎn)的重要性及每組樣本點(diǎn)中樣本點(diǎn)的數(shù)量多少對(duì)樣本點(diǎn)組賦予權(quán)值：

式中，K＝300；n_i表示第i組代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)組中樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)；j表示某一特定樣本點(diǎn)共在j個(gè)近似模型中出現(xiàn)。根據(jù)計(jì)算的權(quán)值在各組負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯代理模型計(jì)算樣本點(diǎn)組中選擇新的有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)，七組樣本組中選擇的樣本點(diǎn)數(shù)量分別為：

k_i＝round(ω_i×m),i＝1,2,...,7 (3)

式中，m＝7。

在選出新的樣本點(diǎn)后根據(jù)設(shè)計(jì)最優(yōu)條件來驗(yàn)證上一步所選樣本點(diǎn)是否達(dá)到最優(yōu)。其中，滿足負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯設(shè)計(jì)最優(yōu)的終止條件為：5個(gè)最大函數(shù)值的差值可以忽略不計(jì)時(shí)或者

其中，f_j是第j個(gè)最小的函數(shù)值，ε＝0.0001。

如果上述所選的樣本點(diǎn)不能滿足終止條件，則將新產(chǎn)生的有限元模型計(jì)算樣本點(diǎn)和先前的樣本點(diǎn)組成新的樣本點(diǎn)組，然后重復(fù)尋優(yōu)設(shè)計(jì)步驟，直到滿足終止條件，從而使負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

基于最優(yōu)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型快速生成負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充內(nèi)芯和轉(zhuǎn)向管柱的有限元模型，進(jìn)行汽車碰撞有限元分析從而對(duì)轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。