泡沫铝填充帽型结构轴向冲击吸能特性的试验研究

利用冲击试验系统,通过试验方法研究了泡沫铝填充帽型结构在轴向冲击工况下的吸能特性。首先进行了泡沫铝、空心帽型结构以及泡沫铝填充帽型结构的轴向冲击试验;然后根据试验结果,对泡沫铝填充帽型结构轴向冲击工况下的吸能特性进行了分析,评估了填充泡沫铝以及应变率对帽型结构吸能特性的影响。试验结果表明, 与空心结构相比,填充泡沫铝之后帽型结构的轴向压缩稳定性和吸能特性有明显的改善;由于材料对应变率敏感, 与准静态压缩相比,结构的吸能特性有一定的提高。     

泡沫铝结构的吸能特性影响参数试验分析

闭孔泡沫铝是一种轻质吸能金属材料,在低密度下具有良好的比刚度和比强度、宽而平坦的屈服平台区、良好的抗冲击性和能量吸收特性。在进行了大量试验的基础上,研究了泡沫铝裸材及其填充薄壁管的吸能特性,验证了闭孔泡沫铝结构的各向同性,研究了泡沫铝的孔隙率、孔径等对其力学性能的影响。给出了泡沫铝及其填充结构吸能能力的评价指标,指出了泡沫铝与薄壁管在轴向压缩吸能中的相互作用效应,并得出填充结构能够提高承载能力43%、提高吸能能力87%的结论。     

内部加强帽形结构轴向压缩吸能特性研究

通过仿真和落锤试验研究了内部加强帽形结构动态压溃时的吸能特性。首先,从理论上分析内部加强对帽形结构吸能特性的影响;然后,根据仿真结果,对内部加强帽型结构的轴向吸能特性进行了分析,并与无内部加强帽形结构进行了对比;最后进行了试验验证。结果表明：通过改变加强结构,帽形结构的轴向压缩稳定性和吸能特性有了很大的提高,且失效现象得到改善,还有利于结构的轻量化。     

聚乙烯泡沫单填充纸蜂窝夹层管的轴向缓冲吸能特性

借鉴波纹管、夹层管和泡沫填充管等设计思想,利用纸蜂窝和聚乙烯泡沫这两种优质缓冲吸能材料,提出聚乙烯泡沫单填充正多边形纸蜂窝夹层管的设计思路.通过静态和动态轴向压缩试验分析,研究这类结构的轴向缓冲吸能特性,探讨结构参数、跌落冲击参数对变形特征和关键吸能指标的影响,为其结构设计与性能优化提供参考.结果表明,在轴向静态压缩情...     

泡沫铝材料参数反求及其填充锥形薄壁管的吸能性能研究

为了研究一种商业化生产的泡沫铝力学性能并对其填充结构进行仿真模拟,基于材料的准静态压缩试验和材料本构模型进行了泡沫铝和铝合金材料参数反求,并采用试验数据验证了所得材料参数的正确性。运用有限元软件LS-DYNA进行数值分析,研究了壁厚、锥角和填充泡沫铝密度等设计参数对泡沫铝填充锥形薄壁管吸能特性的影响。结果表明,利用材料反求的方法可获得准确的材料参数;泡沫铝密度和壁厚对平均力的影响更为显著,相比于锥角更易控制能量吸收;管壁厚度是影响初始峰值力的主要因素;填充泡沫铝后不仅能够改善薄壁管的变形情况、增大比吸能,且对初始峰值力的影响较小。     

基于泡沫铝复合结构的汽车座椅横梁填充设计与优化

汽车的座椅横梁在碰撞事故中起着保障乘客生存空间的重要作用,对其进行填充优化设计可以有效地提高车辆的安全性能.基于泡沫铝材料高比吸能与轻质的特点,设计了三组泡沫铝与薄壁钢管组成的复合结构,将其填充到汽车的座椅横梁中.通过对座椅横梁填充结构三点弯曲与轴向压缩的有限元模拟,研究了其抗弯曲与抗压缩性能,并对填充方案进行了优化....     

泡沫填充薄壁结构的抗弯性分析及多目标优化设计*

泡沫铝填充薄壁结构具有轻质、较大承载能力以及高效吸能特性,越来越多地应用于各种工程结构。提出一种新颖的轴向梯度泡沫填充薄壁结构,采用试验与数值分析的方法,系统地分析空管、均匀泡沫填充及梯度泡沫填充薄壁圆管在弯曲工况下的力学响应及能量吸收特性。研究发现,泡沫填充薄壁结构比空管具有更好的抗弯性能。与均匀泡沫填充结构相比,梯度泡沫不仅使得填充薄壁结构的变形模式从单褶皱模式变为多褶皱模式,截面扁化量和抗弯刚度损失显著减小,而且有效地提高了填充结构的承载力及吸能特性。为了进一步探索填充结构的最优耐撞性,结合Kriging近似技术与粒子群数值优化方法,对均匀泡沫和功能梯度填充泡沫薄壁结构进行多目标优化设计,得到了泡沫填充薄壁结构耐撞性的最佳参数匹配设计,并有效提高了结构的抗弯性能,为泡沫填充薄壁结构抗弯性设计提供了参考依据。     

泡沫铝填充分体式翻转结构设计与优化分析

汽车发生正面碰撞时,主要依靠汽车吸能盒和保险杠来吸收与传递碰撞能,因此性能优良的吸能盒结构能有效地提高汽车安全性。薄壁翻转管在受压翻转时,表现出较低的平均载荷力与较低载荷峰值,适合用作汽车吸能盒结构。但由于结构翻转过程复杂,在翻转过程中容易引发倾斜,出现不稳定状态,从而导致结构出现刚度变大而失去吸能效能。在对翻转管吸能特性与泡沫铝缓冲吸能效果研究的基础上,设计了泡沫铝填充分体式翻转管吸能盒,对比分析在填充泡沫铝前后的翻转管结构在有效行程内的稳定性与吸能量情况。结果表明,泡沫铝填充式翻转吸能盒不仅在吸收能量上得到大幅提升,其稳定性也得到较大改善,使汽车吸能盒在受到一定倾斜角度压溃时,在有效压缩行程内具备了较好的稳定吸能特性。通过采用NSGA-II算法对结构进行多目标优化分析,最终获得优化设计方案。     

基于混合神经遗传算法的扩胀管吸能特性预测

由于结构参数对吸能元件的吸能特性具有重要影响,将填充了泡沫铝的扩胀管与混合神经遗传算法相结合,对不同结构参数下扩胀管吸能特性进行分析预测。首先,基于泡沫铝填充机理设计出泡沫铝填充的扩胀式吸能装置,并建立有限元模型;然后利用非线性有限元软件LS-DYNA对不同参数变化情况下的扩胀管进行准静态轴向碰撞仿真;最后将胀管壁厚、诱导锥角、泡沫铝密度作为BP神经网络输入,扩胀管吸能特性参数作为网络输出,利用遗传算法优化网络权重和阈值,建立3层BP神经网络预测模型,经样本数据训练得到合适的网络。研究结果表明,网络预测值与期望值很接近,平均压溃载荷的误差值为3.02%,比吸能的误差值为4.82%,压缩力效率的误差值为0.92%,说明了该网络模型能够有效地预测扩胀管的吸能特性,并具有较高的精确度。     

聚氨酯泡沫填充的碳纤维增强复合材料锥管吸能性能数值模拟及试验验证

提出了一种新型的碳纤维增强复合材料（CFRP）填充聚氨酯（PU）泡沫的汽车前部吸能结构，通过材料性能试验获得了PU泡沫、CFRP复合材料的力学性能参数及PU泡沫填充的CFRP锥管的准静态压缩吸能结果。应用LS-DYNA进行复合材料准静态压溃仿真分析，仿真结果与试验结果吻合较好，验证了复合材料填充结构有限元模型和材料模型的正确性，并且发现泡沫填充的CFRP锥管具有良好的吸能性能，填充结构比吸能高于两种材料单独使用时的比吸能之和。     

Experimental studies on the axial crash behavior of aluminum foam-filled hat sections

Drop hammer tests were carried out to study the axial crash behavior of aluminum foam-filled hat sections. First, the axial crash tests of the empty hat sections, aluminum foam and the aluminum foam-filled hat sections were carried out; then, based upon the test results, the axial crash behavior of the aluminum foam-filled hat sections were analyzed. It was found that aluminum foam filling can increase the energy absorption capacities of the hat sections. Compared with the non-filled structures, aluminum foam-filled structures were much more stable and needed less mass to absorb the specified energy. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(4) (in Chinese)     

Theoretical analysis for axial crushing behaviour of aluminium foam-filled hat sections

A theoretical analysis was performed to predict the crushing behaviour of aluminium foam-filled single hat and double hat sections subjected to axial compression. The experimental results and superfolding element theory were used to create deformation models for the aluminium foam contained in the hat sections, and several assumptions were made for the theoretical analysis. According to the energy method and superfolding elements theory, the mean crushing force and the interactive effect were theoretically predicted for the axial compression of the aluminium foam-filled hat sections. The final formula specified the relationship between the mechanical characteristics of the aluminum foam and the height of the superfolding element. The mean crush forces and the interactive effect predicted by the theoretical analysis were in good agreement with the experimental results. The theoretical prediction results showed that the interactive effect was mainly from the aluminium foam.     

Experimental quasi-static axial crushing of top-hat and double-hat thin-walled sections

Quasi-static axial crushing tests have been carried out on thin-walled top-hat and double-hat mild steel spot-welded sections. Several post-test collapse modes were identified for the structures and the associated energy-absorbing characteristics have been examined and compared with previous tests. A new empirical equation is suggested for relating the structural effectiveness to the structural density of top-hat and double-hat sections.     

粉煤灰漂珠/聚氨酯复合泡沫铝材料压缩性能与本构关系研究

采用压力渗透法制备出了铝基复合泡沫材料,填充材料是以粉煤灰漂珠为主要组分、硬质聚氨酯泡沫为粘结剂的复合泡沫材料.通过准静态实验和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)动态压缩的方法研究了复合泡沫铝的压缩力学响应,然后建立了动态本构关系.研究表明,复合泡沫铝的压缩应力-应变曲线与其它泡沫材料的应力-应变曲线类似,文中的两种铝基复合泡沫具有应变率效应,复合泡沫铝较密度相近未填充前的泡沫铝基具有更高的压缩强度与能量吸收能力.但由于漂珠尺寸的不同,导致两种复合泡沫铝的动态压缩结果不尽相同,且小颗粒复合泡沫铝在动态冲击下吸能效果最好.在本研究实验的应变率和密度范围内,本文建立的本构模型曲线与实验曲线吻合较好.     

粉煤灰漂珠/聚氨酯复合泡沫铝材料压缩性能与本构关系研究

采用压力渗透法制备出了铝基复合泡沫材料,填充材料是以粉煤灰漂珠为主要组分、硬质聚氨酯泡沫为粘结剂的复合泡沫材料.通过准静态实验和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)动态压缩的方法研究了复合泡沫铝的压缩力学响应,然后建立了动态本构关系.研究表明,复合泡沫铝的压缩应力-应变曲线与其它泡沫材料的应力-应变曲线类似,文中的两种铝基复合泡沫具有应变率效应,复合泡沫铝较密度相近未填充前的泡沫铝基具有更高的压缩强度与能量吸收能力.但由于漂珠尺寸的不同,导致两种复合泡沫铝的动态压缩结果不尽相同,且小颗粒复合泡沫铝在动态冲击下吸能效果最好.在本研究实验的应变率和密度范围内,本文建立的本构模型曲线与实验曲线吻合较好.     

铝泡沫填充薄壁结构耐撞可靠性优化设计

泡沫填充薄壁结构能有效地改善汽车薄壁吸能部件的耐撞性。为设计更轻与更有效的吸能结构,并满足汽车安全性设计要求,提出一种新颖的轻质铝泡沫填充双管薄壁结构,并对其耐撞性展开确定性最优化设计。但是,由于薄壁结构的厚度、屈服强度以及铝泡沫的密度等设计参数易受到仿真以及制造误差等不确定性因素的影响,导致确定性最优解收敛于约束边界,从而丢失了应有的使用可靠性要求。因此,提出基于Kriging近似模型与一阶可靠性分析方法的铝泡沫填充结构可靠性最优设计方法,并进一步开展基于参数不确定性的铝泡沫填充结构的耐撞性可靠性优化设计研究。优化结果显示,可靠性最优解不仅远离约束边界,而且较好地满足了铝泡沫填充结构的安全性与可靠性设计要求。     

Static and dynamic axial crushing of foam-filled sheet metal tubes

Experimental results are provided for the quasi-static and dynamic axial crushing of thin-walled square and rectangular tubes manufactured from sheet metal. The tubes were tested both empty and filled with polyurethane foam of various densities. Both the stability and the energy absorbing characteristics of the tubes are described and discussed. Simple theoretical models are proposed to explain and quantify the interaction between the foam and the sheet metal tubes.