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。     

接触强度和诱导槽对泡沫铝锥管耐撞性分析

针对汽车前纵梁耐撞部件吸能盒结构形式,研究了功能密度梯度泡沫铝填充铝合金锥管在低速冲击下的耐撞性模型优化。通过对泡沫铝填充锥管的轴向低速压溃仿真分析,获得仿真变形状态、载荷及比吸能量对位移的曲线,并对比分析仿真和实验数据,证明仿真模型的有效性。以泡沫铝内核与锥管的接触强度为研究对象,研究其对泡沫铝填充锥管吸能性能的影响。最后提出基于强粘结接触模型的含有诱导槽的功能密度梯度泡沫铝填充模型,并研究其耐撞性。研究表明,具有诱导槽的强粘结泡沫铝填充锥管在碰撞中的峰值载荷更低,载荷变化更平稳,比吸能更大,是一种在汽车制造工程应用中可以考虑的新型吸能结构。     

泡沫铝结构改善汽车侧碰安全性研究

优秀的吸能结构设计是提高汽车碰撞安全性的一种重要途径,泡沫铝材料具有高比吸能和轻质的特点,适合用作汽车吸能结构元件。对泡沫铝材料与薄壁铝管组成复合结构的各因素变化对吸能和汽车抗撞性的影响规律进了研究,报告了汽车侧面碰撞关键结构中对提高汽车安全性的影响关系以及轻量化作用。进行了实例车型侧碰关键结构的高速冲击碰撞实验,以及有限元模型仿真计算,验证了泡沫铝复合结构大大提高汽车安全性的效果,达到降低侧碰关键结构的最大加速度和减少驾驶仓侵入量的目的。     

基于鲁棒性的概率优化设计在薄壁构件耐撞性中的应用

汽车结构的耐撞性及碰撞吸能优化是现代汽车工业重要的研究内容。耐撞性的优化涉及材料与结构的众多参数，传统的确定性优化设计、碰撞仿真及实验往往只能在一定程度上改善结构的碰撞性能，而无法评估设计参数的可靠性和目标函数的鲁棒性，以及在给定可靠性约束条件下使目标函数的鲁棒性达到最优状态。将实验设计、响应面模型和蒙特卡罗模拟技术相结合，构造了基于产品质量工程的6σ鲁棒性优化设计方法，实现了对设计目标的优化，并提高了设计变量的可靠性和目标函数的鲁棒性。     

金属薄壁吸能结构耐撞性研究进展

金属薄壁吸能结构耐撞设计广泛应用于飞机、汽车、铁路列车和轮船等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统的设计中。本文归纳了轴向载荷作用下薄壁吸能件的变形模式和评价吸能结构耐撞性的参数，叙述了薄壁吸能件轴向力学特性的研究成果，最后分析了薄壁吸能件的主要研究方向。     

泡沫铝填充结构车门防撞梁优化设计

为最大限度地提高汽车的安全性和环保性,首先对前期设计的泡沫铝填充结构车门防撞梁的吸能量、比吸能率进行理论分析并建立了相应的数学模型;然后应用MATLAB软件对其进行结构优化设计得出最优结构;最后将优化前后的泡沫铝填充结构车门防撞梁的各项指标进行对比分析。结果表明,优化后的泡沫铝填充结构车门防撞梁在提高汽车安全性及环保性方面有明显提高。     

基于仿方竹结构的薄壁管耐撞性分析及优化

薄壁金属管是发生碰撞时为安全性所设置的关键吸能构件.为了提高薄壁管结构的耐撞性,结合方管的易安装性和圆管的稳定性,基于方竹结构对薄壁管截面进行耐撞性分析和仿生优化设计.通过对方竹结构的原型分析,利用ABAQUS搭建了仿方竹结构薄壁管有限元分析模型,在对模型进行试验验证的基础上,以壁厚、肋长为研究参数对仿方竹薄壁管耐撞特性进行了仿真分析.在此基础上,采用全因子试验设计方法来构建响应面模型,以比吸能和初始峰值载荷为目标函数,运用多目标粒子群优化算法进行优化求解并获得最优解的Pareto集.研究结果表明:仿方竹结构薄壁管有较好的耐撞性和稳定性,壁厚0.892 mm、肋长2.995 mm为仿方竹结构的最优解,此时初始峰值载荷和比吸能分别为10 kN和7.936598 kJ/kg.研究结果对薄壁管的结构设计和尺寸优化具有重要意义.     

连续变截面板(TRB板)在汽车前纵梁中的应用及优化分析

汽车前纵梁结构设计不仅要满足整车布置和承载要求,还需满足耐撞性要求。为实现耐撞性和轻量化双重目标,在前纵梁结构中引入连续变截面板(TRB板),充分利用其材料特性,满足前纵梁结构的吸能与变形模式。分别对TRB板材和等厚板材结构件进行台车碰撞试验及有限元仿真分析;建立加速度和质量的多项式响应面模型,以最小加速度峰值为优化目标,对TRB板的薄壁梁尺寸参数进行优化设计。结果表明,相对于等厚板,TRB板材的薄壁梁结构变形量较小、加速度峰值较小,具有更好的耐撞性;优化后的薄壁梁质量减轻5.21%且加速度峰值减少1.63%,且响应面近似模型具有较好的预测精度。     

一种薄壁梁加强结构及其动态抗弯性能分析

针对大客车车身骨架侧墙立柱薄壁梁结构侧翻耐撞性能薄弱的特点,提出了一种等强度贴板加强立柱梁结构.采用LS-DYNA软件对单根悬臂方管在侧向冲击载荷下的动力响应进行了数值模拟,比较分析了不同加强方式下立柱的抗弯性能.结果表明,与薄壁方管、贴板薄壁方管和泡沫铝填充方管相比,等强度贴板方管立柱的吸能性能(或比吸能)显著提高,整体结构在指定冲击位移内充分参与变形,没有出现因局部塌陷而产生的塑性铰,说明这种加强立柱结构是客车侧翻耐撞性立柱的良好型式.     

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。     

泡沫铝填充帽型结构轴向压缩吸能特性的试验研究

通过试验方法研究了泡沫铝填充帽型结构准静态压溃时的吸能特性。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压缩试验;然后,根据试验结果,对泡沫铝填充帽型结构的轴向吸能特性进行了分析,并与空心帽型结构进行了比较。结果表明,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了很大的提高。在吸收的能量一定时,泡沫铝填充能够减少吸能结构所需要的质量。     

Energy absorption of aluminum foam filled braided stainless steel tubes under quasi-static tensile loading conditions

A theoretical model to predict the energy absorption capabilities of aluminum foam filled braided stainless steel tubes under tensile loading conditions has been developed and is presented. Experimental testing was completed on braided tubes, with a nominal diameter of 64.5 mm and woven from 304 stainless steel wires with a diameter of 0.51 mm, filled with rectangular prisms of closed cell aluminum foam with densities ranging from 248 to 373 kg/m³. Based upon observations from experimental testing and applying a unit cell concept to the braided tube, a theoretical model which incorporates two stages of deformation was developed. Within the first stage of deformation, which occurs prior to tow lockup of the braided tube, energy absorption is primarily due to compression of the aluminum foam core. After tow lockup has occurred the energy absorption behavior of the assembly is a sole result of the deformation of the braided tube. Comparisons between the energy absorption predictions of the analytical model and experimental observations were found to be in good agreement for assembly lengths of approximately 400 mm. For the tensile loading conditions and geometry of aluminum foam filled braided tubes considered in this research energy absorption ranged from approximately 5.2 to 7.9 kJ with corresponding tube elongations of 400 mm.     

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)     

High-velocity impact experiment of aluminum foam sample using powder gun

Porous materials such as aluminum foam have been investigated for possible use as impact shock absorbers in transportation aeronautic applications. However, the response of aluminum foam during impacts at high velocities of more than 100 m/s is not yet fully understood. A high-velocity impact experiment was therefore carried out to clarify impact shock absorption properties of aluminum foam. A one-stage powder gun was used to accelerate an aluminum foam sample to impact a rigid wall. Velocity and deformation of the aluminum foam sample during impact was studied using a digital high-speed video camera, while the pressure wave in the aluminum foam sample was measured using a PVDF gauge. The experimental observations revealed uneven collapse of the aluminum foam sample structure during high speed impact with a general stress plateau effect, typical for cellular material structures when subjected to quasi-static loading.     

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。     

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。     

规则孔型泡沫金属的设计制造研究

研究规则孔型泡沫金属的结构设计与制造方法，利用三维造型软件Unigraphics，对泡沫金属的结构进行预设计，并利用快速成型与电沉积技术制造出了具有规则孔型结构的泡沫金属。设计了4种不同的泡沫结构，并详细说明了金刚石型泡沫结构的设计及制造方法，分析了其结构参数。本研究设计制造的规则孔型结构的泡沫金属，各项结构参数可调可控，可以最大限度地发挥其使用潜能，获得理想的性能。     

Thermal characteristics of graphite foam thermosyphon for electronics cooling

Graphite foams consist of a network of interconnected graphite ligaments and are beginning to be applied to thermal management of electronics. The thermal conductivity of the bulk graphite foam is similar to aluminum, but graphite foam has one-fifth the density of aluminum. This combination of high thermal conductivity and low density results in a specific thermal conductivity about five times higher than that of aluminum, allowing heat to rapidly propagate into the foam. This heat is spread out over the very large surface area within the foam, enabling large amounts of energy to be transferred with relatively low temperature difference. For the purpose of graphite foam thermosyphon design in electronics cooling, various effects such as graphite foam geometry, sub-cooling, working fluid effect, and liquid level were investigated in this study. The best thermal performance was achieved with the large graphite foam, working fluid with the lowest boiling point, a liquid level with the exact height of the graphite foam, and at the lowest sub-cooling temperature.     

碳化硅增强泡沫铝层合圆管的制备及力学性能研究

用熔体发泡法制备了碳化硅颗粒增强泡沫铝样品，分析了碳化硅增强泡沫铝在准静态压缩条件下的变形行为。用不锈钢圆管为面板，碳化硅颗粒增强泡沫铝为夹芯制备层合圆管，研究了层合圆管在准静态压缩条件下的变形行为和能量吸收性能。研究表明：碳化硅颗粒增强泡沫铝的屈服强度在5～12MPa之间，对泡沫铝材料的力学性能有明显的增强作用；层合圆管在保持泡沫铝轻质、高吸能效率的同时，大幅度提高了吸能能力；碳化硅增强泡沫铝层合圆管的压缩屈服应力达到45MPa，平台应力达到40MPa，具有优良的吸能性能。