多工况碰撞载荷下点阵结构填充吸能盒设计策略研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.02.014

摘要/Abstract

摘要：

由于点阵结构优异的比吸能特性，其在新能源汽车被动安全方面具有广阔的应用前景。本文中以点阵结构填充吸能盒为研究对象，分别建立了具有不同点阵结构内芯的汽车吸能盒有限元模型，对比分析了不同填充吸能盒与传统吸能盒在多角度斜向碰撞工况下的耐撞性能，阐明点阵结构与吸能盒本体之间的相互作用机理及内芯选择依据。在此基础上，进一步考虑本体诱导槽对多工况变形模式的影响，开展了基于改进本体结构的点阵结构填充式汽车吸能盒抗撞性多目标优化设计。结果表明：具有正六边形点阵结构填充的汽车吸能盒具有稳定且优异的吸能性，基于改进诱导槽的点阵结构填充式吸能盒优化方案相对于原始吸能盒结构减质量32.05%，在保证最大冲击力小于阈值的前提下，其各项综合性能指标均得到显著提升。

关键词: 点阵结构, 吸能盒, 负泊松比, 能量吸收

Abstract:

Due to the excellent specific energy absorption characteristics of lattice structure， it has broad application prospect in the passive safety of new energy vehicles. Taking the crash box filled with lattice structure as the research object， the finite element model of the automobile crash boxes with different lattice structure inner cores are established. The crashworthiness performance of different filling crash boxes and traditional crash box under multi-angle oblique collision conditions are comparatively analyzed. The interaction mechanism between the lattice structure and crash box body and the basis of inner core selection are expounded. On this basis， further considering the influence of the body inducement slot on the deformation modes under multiple working conditions， the multi-objective crashworthiness optimization design of the crash box filled with the lattice structure based on the improved body structure is carried out. The results show that the crash box filled with positive Poisson's ratio lantern-like lattice structure has stable and excellent energy absorbing performance. Compared with the original crash box， the mass is reduced by 32.05% using the optimization scheme. On the premise of ensuring that the maximum impact force is less than the threshold， the comprehensive performance indicators are significantly improved.

Key words: lattice structure, crash box, negative Poisson’s ratio, energy absorption

梁鸿宇,刘百川,马芳武,王登峰. 多工况碰撞载荷下点阵结构填充吸能盒设计策略研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 293-303.

Hongyu Liang,Baichuan Liu,Fangwu Ma,Dengfeng Wang. Research on Design Strategy of Lattice Structure Filled Crash Box Under Multi-angle Impact Loading[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(2): 293-303.

图/表 18

图1

图2

表1

图3

表2

图4

表3

图5

图6

图7

图8

表4

表5

不同长宽比构型的综合性能指标值"

构型	$S E A θ - L M /$ （J·kg^-1）	$F a v θ - L M$ /kN	$F P θ - L$ /kN	$σ E θ - L M$
4∶1	6 351	20.60	129	0.70
2∶1	8 445	28.31	129	0.41
4∶3	9 941	31.93	129	0.29
1∶1	11 608	35.72	129	0.22

表5

表6

不同样本点及其对应的目标性能值"

序号	l/mm	α	β	γ	T	$F P θ - L /$ kN	$F a v θ - L /$ kN	$S E A θ - M /$ （J·kg^-1）
1	8.10	0.133	1.006	26.34	1.585	34.43	9.38	4 515
2	8.98	0.140	0.787	33.66	1.439	34.08	14.71	7 777
3	11.90	0.062	1.079	28.78	1.488	36.26	18.41	7 390
4	11.81	0.126	1.152	27.32	1.244	33.65	14.69	5 756
5	9.66	0.057	0.823	32.20	2.902	98.67	52.21	14 737
6	12.00	0.111	0.970	31.71	2.415	127.42	45.85	10 337
7	10.54	0.106	0.945	32.68	1.000	19.50	9.15	5 282
8	11.12	0.060	0.933	38.54	1.683	48.70	21.82	8 416
9	10.44	0.096	0.921	40.00	2.707	103.65	51.67	12 525
10	8.88	0.055	1.030	37.56	2.220	79.10	35.28	11 617
11	10.24	0.150	0.982	35.12	2.171	71.16	38.43	10 703
12	11.22	0.070	0.799	28.29	2.073	56.27	28.44	10 514
13	11.51	0.065	1.067	25.37	2.854	113.72	55.77	13 277
14	8.68	0.143	1.165	29.76	2.561	88.99	46.95	12 184
15	8.39	0.099	1.018	37.07	1.341	26.88	12.41	7 139
16	8.78	0.104	1.104	20.00	2.366	66.98	33.17	10 245
17	8.59	0.138	0.884	24.39	2.756	103.70	41.38	13 751
18	11.71	0.101	0.994	20.49	1.976	52.96	28.20	9 602
19	10.63	0.092	1.250	25.85	2.122	64.36	33.62	9 329
20	11.61	0.145	0.860	27.80	1.537	46.54	20.22	7 283
21	10.73	0.128	1.055	23.90	2.951	104.20	57.49	13 646
22	11.32	0.116	0.774	38.05	1.732	48.51	23.26	8 200
23	10.34	0.121	0.750	30.73	2.610	87.09	46.79	13 325
24	10.15	0.148	1.140	22.44	1.878	53.61	29.35	9 680
25	9.76	0.052	1.043	22.93	2.024	53.29	26.19	10 316
26	9.46	0.094	1.128	23.41	1.098	20.11	9.61	5 858
27	9.95	0.084	0.848	20.98	2.805	83.03	47.10	14 040
28	9.37	0.050	0.957	31.22	1.195	23.60	10.01	6 443
29	8.20	0.079	1.213	29.27	1.927	52.39	24.94	10 495
30	9.56	0.135	1.201	33.17	1.390	37.85	16.39	6 527
31	8.29	0.118	0.909	36.10	2.512	82.44	41.27	12 678
32	9.17	0.082	0.762	35.61	1.829	44.72	20.46	8 824
33	8.00	0.077	0.896	26.83	2.268	55.72	27.17	11 115
34	10.83	0.074	0.872	21.95	1.049	17.49	7.69	5 650
35	8.49	0.089	0.811	24.88	1.146	18.24	8.05	6 828
36	9.07	0.109	1.189	39.51	2.317	71.47	39.02	10 742
37	10.05	0.072	1.226	34.63	1.293	33.52	13.60	6 205
38	9.27	0.087	1.091	30.24	3.000	120.11	59.85	14 317
39	10.93	0.067	1.177	36.59	2.463	98.86	44.23	11 639
40	11.02	0.131	1.238	34.15	2.659	107.54	53.12	10 072
41	9.85	0.123	0.835	21.46	1.780	45.24	19.77	8 279
42	11.42	0.113	1.116	39.02	1.634	52.89	24.23	7 145
43	8.00	0.130	1.050	40.00	2.200	62.19	32.07	10 884
44	10.40	0.050	0.850	32.00	3.000	109.16	55.87	13 903
45	12.00	0.090	1.150	36.00	1.400	44.26	17.44	6 361
46	11.20	0.150	0.750	28.00	1.800	54.61	24.02	9 242
47	9.60	0.110	1.250	20.00	2.600	79.86	46.30	12 584

表6

表7

代理模型精度验证"

序号	$F P θ - L$ /kN			$F a v θ - L$ /kN			$S E A θ - M$ /（J·kg^-1）
序号	预测值	仿真值	误差	预测值	仿真值	误差	预测值	仿真值	误差
1	62.19	60.14	-3.29%	32.06	32.98	2.84%	10 884	11 037	1.41%
2	109.16	113.03	3.55%	55.87	57.45	2.81%	13 902	15 148	8.96%
3	44.26	46.58	5.24%	17.44	15.84	-9.17%	6 361	5 883	-7.52%
4	54.61	57.53	5.35%	24.02	25.53	6.30%	9 242	9 712	5.08%
5	79.86	71.93	-9.93%	46.30	44.22	-4.49%	12 583	12 013	-4.53%

表7

表8

代理模型精度评价指标"

参数	$R 2$	RMAE	RAAE	RMSE
$F P θ - L$	0.924 3	0.132 3	0.066 9	0.078 5
$F a v θ - L$	0.972 3	0.112 6	0.044 9	0.053 6
$S E A θ - M$	0.950 1	0.175 0	0.061 4	0.082 1

表8

图9

表9

优化前后的目标性能对比"

项目	m/kg	$F P θ - L$ /kN	$F a v θ - L$ /kN	$S E A θ - M /$ （J·kg^-1）	$σ E θ - L M$
本体	0.584 9	73.80	41.72	13 753	0.12
优化	0.780 7	111.40	60.62	15 839	0.08
增益	33.47%	50.95%	45.30%	15.17%	33.33%

表9

参考文献 15

1	MA F W， ZHAO Y， LIANG H Y， et al. Effects of cell micro-topology on the in-plane dynamic crushing analysis of re-entrant square cellular material ［J］. Automotive Innovation， 2018， 1：24-34.
2	LIANG H Y， WANG Q， PU Y F， et al. In-plane compressive behavior of a novel self-similar hierarchical honeycomb with design-oriented crashworthiness ［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2021， 209：106723.
3	赵颖，马杰，桑叶，等. 不完整因子条件下内凹六边形微结构面内动态性能研究［J］.汽车工程，2021，43（6）：923-933.
	ZHAO Y， MA J， SANG Y， et al. Study on in⁃plane dynamic performances of re⁃entrant hexagonal cellular structure with incomplete factors［J］. Automotive Engineering， 2021， 43（6）：923-933.
4	马芳武，孙昊，梁鸿宇，等.自相似分层蜂窝结构多碰撞工况耐撞性研究［J］.汽车工程，2022，44（6）：886-892，908.
	MA F W， SUN H， LIANG H Y，et al. Study on crashworthiness of self-similar hierarchical honeycomb structure under multiple collision conditions ［J］. Automotive Engineering， 2022， 44（6）： 886-892，908.
5	XIONG F， WANG D F， YIN S， et al. Optimization analysis of novel foam-filled elliptical columns under multiple oblique impact loading［J］. Materials & Design， 2018， 156：198-214.
6	KHOSROSHAHIA S F， TSAMPASB S A，GALVANETTOA U， et al. Feasibility study on the use of a hierarchical lattice architecture for helmet liners ［J］. Materials Today Communications， 2018，14： 312–323.
7	熊锋.车身结构轻量化与抗撞性多目标协同优化设计方法研究［D］.长春：吉林大学， 2018.
	XIONG F. Research on lightweight and crashworthiness multi-objective collaborative optimization design method for automobile body structure ［D］. Changchun： Jilin University， 2018.
8	宗令. 空间杆系点阵填充吸能盒结构轻量化优化设计［D］.长春：吉林大学， 2022.
	ZONG L. Lightweight optimization design of space bar lattice filled energy absorbing box structure ［D］. Changchun： Jilin University， 2022.
9	张伟，侯文彬，胡平. 新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能［J］. 复合材料学报， 2015， 32（2）： 534-541.
	ZHANG W， HOU W B， HU P. Mechanical properties of new negative Poisson’s ratio crush box with cellular structure in plateau stage ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2015， 32（2）： 534-541.
10	周冠. 新型负泊松比结构关键技术研究及其在车身设计中的应用［D］. 长沙：湖南大学， 2015.
	ZHOU G. Study on key techniques of NPR structure and its application in vehicle body design ［D］. Changsha： Hunan University， 2015.
11	王陶.负泊松比结构力学特性研究及其在商用车耐撞性优化设计中的应用［D］.南京：南京理工大学， 2018.
	WANG T. Mechanical research of an auxetic cellular structure and its application in commercial vehicle crashworthiness optimization design ［D］. Nanjing： Nanjing University of Science & Technology， 2018.
12	WANG C， LI Y， ZHAO W， et al. Structure design and multi-objective optimization of a novel crash box based on biomimetic structure ［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2018， 138：489-501.
13	马芳武，王强，梁鸿宇，等. 梯度负泊松比结构填充吸能盒多工况优化设计［J］. 汽车工程，2021，43（5）：754-761.
	MA F W， WANG Q， LIANG H Y， et al. Multi⁃objective optimization of crash box filled with gradient negative Poisson’s ratio structure under multiple conditions ［J］. Automotive Engineering， 2021， 43（5）： 754-761.
14	MA F W， LIANG H Y， PU Y F， et al. Multi-objective optimization of crash box filled with three-dimensional cellular structure under multi-angle impact loading ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D：Journal of Automobile Engineering， 2021， 235（9）： 2397-2412.
15	LU G， YU T X. Energy absorption of structures and materials ［M］. Cambridge： Woodhead Publishing， 2003：58-59.

综合指标	DAS	HS	SSS	RS
SEA_θ/（J·kg^-1）	11 677	12 949	11 869	11 788
σ_E	0.35	0.30	0.34	0.36
F_p/kN	259	280	254	253

[1]	赵颖,马杰,桑叶,王凯锋,马芳武. 不完整因子条件下内凹六边形微结构面内动态性能研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 924-933.
[2]	马芳武,王强,梁鸿宇,蒲永锋. 梯度负泊松比结构填充吸能盒多工况优化设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(5): 754-761.
[3]	陈静,徐森,刘震,唐傲天,吕伟. 基于碰撞安全性的铝合金吸能盒轻量优化[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 241-247.
[4]	陈光, 路深, 赵紫剑, 陈超, 娄磊. CFRP十二直角薄壁梁保险杠的轻量化设计^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(2): 232-238.