本发明涉及汽车结构，尤其涉及一种变截面压铸吸能盒及其设计方法。
背景技术：
1、汽车吸能盒是一种重要的车辆安全装置，用于在碰撞事故中吸收和分散冲击力，以保护车辆乘员免受伤害。通常将汽车吸能盒安装在横梁与车架纵梁之间，作为一种低速安全保护系统而存在；物体在发生强烈碰撞时会发生塑性变形，汽车吸能盒可以吸收一部分撞击力，保护车内乘客的安全；另外吸能盒作为一种金属薄壁构件，在碰撞时容易发生褶皱变形，车辆在低速碰撞时能有效吸收碰撞能量，并尽可能减小撞击力对车身损害，吸能盒既提高了汽车的被动安全性，又降低了撞击带来的维修成本。
2、汽车吸能盒在汽车结构中发挥了重要作用，但是汽车吸能盒存在以下问题：
3、1.现有的汽车吸能盒采用钣金冲压焊接而成，需要多个部件经过冲压或挤出后挤压，而后焊接安装板形成吸能盒总成，工序多，制造过程繁琐，制造精度不高，不利于保持产品一致性，且工装夹具等成本较高。
4、2.现有的技术方案沿车身x向，截面形式单一，截面大小保持一致，吸能效果不佳，不利于吸能盒吸能过程中的逐级溃缩，吸能效果不佳。
5、3.因为截面的不可变化及形式单一，极易导致截面力峰值较大，而吸能过程的截面力均值较低，截面力峰值与截面力均值的比值较大，导致结构的总体吸能量不高；且在整车碰撞过程中，易导致纵梁先溃缩，吸能盒反而不吸能，不利于汽车整体的吸能策略。
6、因此，亟需一种汽车吸能盒，生产工艺简单、逐级有序压溃吸能、以及截面力峰值与截面力均值的比值可调。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变截面压铸吸能盒设计方法，所述设计方法用于设计压铸工艺制得的吸能盒，所述设计方法包括如下步骤：
2、根据压铸吸能盒沿车身x方向长度、压铸吸能盒沿车身x方向两端截面的边界区域以及压铸吸能盒沿车身x方向的截面形状、截面面积变化趋势，获得压铸吸能盒的可设计空间；所述可设计空间指压铸吸能盒在整车中所占空间；所述车身x方向指车辆长度方向；
3、根据所述压铸吸能盒沿车身x方向长度、整车重量和正碰碰撞速度，确定压铸吸能盒的截面力峰值；
4、以所述压铸吸能盒的截面力峰值、中国新车评价规程的正碰评分和拔模方向为约束条件，以所述压铸吸能盒的质量最小为优化目标，使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行非线性拓扑分析，得到压铸吸能盒的结构；
5、所述拔模方向包括沿车身x方向拔模角度为1°～3°，沿车身y方向拔模角度为1°～3°，所述车身y方向指车辆宽度方向；
6、所述压铸吸能盒的结构包含内部加强筋布局、沿车身x方向截面形状、沿车身x方向截面面积、溃缩痕结构、内部加强筋的厚度以及外轮廓的厚度。
7、进一步地，所述使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行非线性拓扑分析，具体包括：
8、使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行三轮非线性拓扑分析，其中通过第一轮非线性拓扑分析获取压铸吸能盒内部加强筋的初始布局；通过第二轮非线性拓扑分析获取压铸吸能盒沿车身x方向截面形状、内部加强筋的厚度以及外轮廓的厚度；通过第三轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒沿车身x方向的截面面积和溃缩痕结构。
9、进一步地，所述通过第一轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒内部加强筋的初始布局，具体包括：
10、以所述吸能盒的可设计空间为实体单元作为设计变量，以所述压铸吸能盒的截面力峰值、中国新车评价规程的正碰评分和拔模方向为约束条件，以所述压铸吸能盒的质量最小为优化目标，使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行第一轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒内部加强筋的初始布局；
11、所述压铸吸能盒内部加强筋的初始布局包含压铸吸能盒沿车身x方向截面上内部加强筋的初始厚度、内部加强筋的初始形状。
12、进一步地，所述通过第二轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒沿车身x方向截面形状、内部加强筋的厚度以及外轮廓的厚度，详细步骤如下：
13、根据所述内部加强筋的初始形状，得到压铸吸能盒沿车身x方向截面上加强筋的最外围端点，用直线依次连接各所述最外围端点，得到压铸吸能盒的初始外轮廓形状；
14、增大所述内部加强筋的初始厚度，获得内部加强筋的优化布局；
15、以压铸吸能盒的初始外轮廓形状和所述内部加强筋的优化布局为实体单元作为设计变量，以所述吸能盒的可设计空间为实体单元作为设计变量，以所述压铸吸能盒的截面力峰值、中国新车评价规程的正碰评分和拔模方向为约束条件，以所述压铸吸能盒的质量最小为优化目标，使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行第二轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒沿车身x方向截面形状、优化外轮廓形状、内部加强筋的厚度以及外轮廓的厚度。
16、进一步地，所述通过第三轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒沿车身x方向的截面面积和溃缩痕结构，包括：
17、以压铸吸能盒的优化外轮廓形状为实体单元作为设计变量，以所述压铸吸能盒的截面力峰值、中国新车评价规程的正碰评分和拔模方向为约束条件，以所述压铸吸能盒的质量最小为优化目标，使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行第三轮非线性拓扑分析，获取所述压铸吸能盒沿车身x方向的截面面积和所述溃缩痕结构；
18、所述溃缩痕结构包括压铸吸能盒外轮廓上缺口位置、缺口数量、缺口长度、缺口宽度、缺口深度以及缺口倒角。
19、进一步地，所述压铸吸能盒在使用压铸工艺进行制备时，对生产材料的要求为：所述生产材料包括镁合金、铝合金，所述生产材料的延伸率大于等于12％，所述生产材料在450℃～650℃下具有液体流动性。
20、进一步地，所述压铸吸能盒沿车身x方向长度的计算方法为：
21、获取所述压铸吸能盒所在车辆的前端长度、所在车辆的纵梁长度和前防撞梁至保险杠蒙皮预留距离；
22、计算所述压铸吸能盒沿车身x方向长度，公式为：
23、l＝l车前-l纵梁-l蒙皮 (1)
24、式中，l表示压铸吸能盒沿车身x方向长度，l车前为压铸吸能盒所在车辆的前端长度，l纵梁为压铸吸能盒所在车辆的纵梁长度，l蒙皮为前防撞梁至保险杠蒙皮预留距离。
25、进一步地，所述根据所述压铸吸能盒沿车身x方向长度、整车重量和正碰碰撞速度，确定压铸吸能盒的截面力峰值，具体步骤包括：
26、根据所述整车重量和所述正碰碰撞的速度，获得整车正面碰撞总能e；
27、结合车辆前舱部分吸能在所述整车正面碰撞总能的占比，计算所述车辆前舱部分吸能e1，计算公式为：
28、e1＝0.7×e (2)
29、根据中路径部分吸能在所述车辆前舱部分吸能的占比，确定所述中路径部分吸能e2：
30、e2＝0.6×e1 (3)
31、由压铸吸能盒的吸能在所述中路径部分吸能占比，计算所述压铸吸能盒的吸能e3，计算公式为：
32、e3＝0.25×e2 (4)
33、由压铸吸能盒压缩吸能长度，使用下述公式计算压铸吸能盒截面力均值：
34、f均＝e3/l1 (5)
35、其中，f均表示压铸吸能盒截面力均值，l1表示压铸吸能盒压缩吸能长度，l1＝0.7×l；
36、由压铸吸能盒的截面力峰值与所述压铸吸能盒截面力均值的比例关系，确定所述压铸吸能盒的截面力峰值f峰：
37、f峰＝1.1f均 (6)
38、进一步地，所述增大所述内部加强筋的初始厚度，具体为将所述内部加强筋的初始厚度增大2倍。
39、本发明还提供一种变截面压铸吸能盒，通过上述任一项所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法设计获得，所述变截面压铸吸能盒具有变截面结构，沿车身x方向截面面积逐渐增大，沿车身x方向内部加强筋的厚度和外轮廓的厚度逐渐增厚。
40、本发明实施例具有以下技术效果：
41、1.本技术的设计方法用于对压铸工艺制得的吸能盒进行设计，采用压铸工艺生产吸能盒，工序少，过程简单，制造精度高，能够确保产品的一致性，而且省去工装夹具等，降低了成本。
42、2.本技术根据压铸吸能盒沿车身x方向长度、压铸吸能盒沿车身x方向两端截面的边界区域以及压铸吸能盒沿车身x方向的截面形状、截面面积变化趋势，获得压铸吸能盒的可设计空间；根据所述压铸吸能盒沿车身x方向长度、整车重量和正碰碰撞速度，确定压铸吸能盒的截面力峰值；以所述压铸吸能盒的截面力峰值、中国新车评价规程的正碰评分和拔模方向为约束条件，以所述压铸吸能盒的质量最小为优化目标，使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行非线性拓扑分析，得到压铸吸能盒的结构；所述拔模方向包括沿车身x方向拔模角度为1°～3°，沿车身y方向拔模角度为1°～3°；由该方法设计得到的压铸吸能盒具有变截面结构，沿车身x方向截面面积逐渐增大，内部加强筋的厚度和外轮廓的厚度沿车身x方向逐渐增厚，共同实现了压铸吸能盒在吸能过程中逐级溃缩，增强吸能效果，提高车辆安全性。
43、3.本技术设计得到的压铸吸能外轮廓具有溃缩痕结构，该溃缩痕结构能够降低压铸吸能盒的截面力峰值，增加压铸吸能盒的截面力均值，从而降低截面力峰值与截面力均值的比值，达到提升压铸吸能盒总体吸收能量的目的。
1.一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述设计方法用于设计压铸工艺制得的吸能盒，所述设计方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述使用有限元分析模拟方法对所述压铸吸能盒的可设计空间进行非线性拓扑分析，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述通过第一轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒内部加强筋的初始布局，具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述通过第二轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒沿车身x方向截面形状、内部加强筋的厚度以及外轮廓的厚度，详细步骤如下：
5.根据权利要求4所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述通过第三轮非线性拓扑分析，获取压铸吸能盒沿车身x方向的截面面积和溃缩痕结构，包括：
6.根据权利要求1所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述压铸吸能盒在使用压铸工艺进行制备时，对生产材料的要求为：所述生产材料包括镁合金、铝合金，所述生产材料的延伸率大于等于12％，所述生产材料在450℃～650℃下具有液体流动性。
7.根据权利要求1所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述压铸吸能盒沿车身x方向长度的计算方法为：
8.根据权利要求7所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述根据所述压铸吸能盒沿车身x方向长度、整车重量和正碰碰撞速度，确定压铸吸能盒的截面力峰值，具体步骤包括：
9.根据权利要求4所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法，其特征在于：所述增大所述内部加强筋的初始厚度，具体为将所述内部加强筋的初始厚度增大2倍。
10.一种变截面压铸吸能盒，其特征在于：通过权利要求1-9任一项所述的一种变截面压铸吸能盒设计方法设计获得，所述变截面压铸吸能盒具有变截面结构，沿车身x方向截面面积逐渐增大，沿车身x方向内部加强筋的厚度和外轮廓的厚度逐渐增厚。
