本發(fā)明涉及汽車(chē)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(chē)發(fā)生正面碰撞時(shí)，位于汽車(chē)前部的包含轉(zhuǎn)向管柱和方向盤(pán)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(pán)的傷害，方向盤(pán)對(duì)駕駛員胸腹部的撞擊為汽車(chē)正面碰撞交通事故中非常常見(jiàn)的一種損傷類(lèi)型。碰撞接觸過(guò)程中轉(zhuǎn)向管柱需要通過(guò)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(guò)程中方向盤(pán)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(guò)程中的能量，緩解方向盤(pán)對(duì)駕駛員的沖擊。例如中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)CN101254794A、CN101570213A等分別公開(kāi)了一種吸能式汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱，能夠有效地減小方向盤(pán)的位移量,提高車(chē)輛的被動(dòng)安全性。通常，吸能汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱主要通過(guò)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(guò)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(chē)發(fā)生碰撞時(shí)的傷害，但是存在著碰撞過(guò)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(wèn)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(chē)碰撞過(guò)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(chē)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(chē)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(guò)更改設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)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(lái)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(chē)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(zhǎng)度、薄壁的厚度、薄壁的長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(guò)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(chē)正面碰撞過(guò)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(guò)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(guò)程中的方向盤(pán)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(chē)正面碰撞過(guò)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(guò)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(chē)的被動(dòng)安全性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chē)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(chē)的被動(dòng)安全性和結(jié)構(gòu)的可靠性。

附圖說(shuō)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(shuō)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(chē)身(圖中未畫(huà)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(chē)身(圖中未畫(huà)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(lái)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(zhǎng)度、薄壁的厚度、薄壁的長(zhǎng)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(chē)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(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書(shū)所界定者為準(zhǔn)。