圆形子胞驱动的层级柱状结构在轴向载荷下的抗冲击性研究

为了解决单胞薄壁结构能量吸收效率低的缺陷，进一步改善薄壁结构的防护吸能性能，提出一种基于圆形子胞元的层级柱状结构设计方法，建立方形与圆形层级薄壁柱的几何与数值模型，采用试验研究调查了层级柱状结构的轴向抗冲击性能，发现层级柱状结构吸能性能大大优于相同质量下的单胞薄壁结构；此外，进一步数值调查了层级柱状结构的几何参数(薄壁壁厚t、子胞元直径D)对其吸能特性的影响，发现壁厚t对层级柱的吸能特性有积极作用，且壁厚与子胞元直径的比值t/D对结构的变形模式具有决定性作用。因此，研究也形成了基于壁厚与子胞元直径比值t/D的层级柱状结构设计准则。此外，进一步基于超折叠单元理论对层级柱状结构的平均碰撞力展开了理论预测研究，推导了层级柱状结构在渐进折叠模式下平均碰撞力的理论预测模型，进一步揭示了层级柱状结构的变形与吸能机制与平均碰撞力的内在联系，并且，不同壁厚下方形层级与圆形层级柱状结构的理论预测与数值结果具有较好的一致性，从而验证了层级柱状结构的平均碰撞力理论模型的预测精度。研究结果对具有高吸能效率的轻质薄壁结构的设计具有好的指导意义。     

两种截面结构车架纵梁轴向碰撞性能分析

运用非线性有限元理论建立了方形和方锥形2种不同截面薄壁直梁的有限元模型,研究了这2种截面薄壁直梁结构在轴向冲击载荷作用下的能量吸收与变形特性,并对其碰撞性能进行了对比分析。结果表明,在低速和高速时方锥形截面薄壁直梁的变形吸能较稳定,其碰撞性能比方形梁好。     

一种多层嵌套薄壁管的吸能特性仿真分析

为了提高薄壁金属管的耐撞性能,提出一种多层嵌套方形薄壁管结构。应用非线性显式有限元法对多层嵌套薄壁管的吸能特性进行了仿真分析,并与普通方管和对称四胞管进行了对比,分析结果表明:在轴向碰撞过程中,多层嵌套薄壁管的变形模式为稳定的渐进层叠变形,其比吸能为25.72 k J/kg,较普通方管和对称四胞管分别提高了64%和31%;通过减小内嵌壁的壁厚可以达到结构轻量化设计目标;通过缩短内嵌壁和约束筋的高度可以有效地降低碰撞初始峰值载荷。将多层嵌套结构应用到薄壁管结构设计中可以有效地提高薄壁管的耐碰撞性能,为车辆吸能元件研究和工程应用提供了参考。     

单帽型薄壁梁弯曲吸能特性研究及多目标优化

薄壁吸能结构的抗弯性能对于汽车碰撞安全是至关重要的,然而影响薄壁结构吸能特性的因素非常复杂,在具体结构设计的过程中还需要兼顾轻量化因素,这就使得薄壁结构弯曲吸能特性的优化工作难以开展。为了解决上述问题,对单帽型薄壁梁抗弯性能进行了有限元仿真分析,并与试验曲线进行对比,进而验证了数值模型的可靠性。为进一步提高单帽型梁的抗弯性能,利用RBF响应面近似模型、NSGA-Ⅱ多目标优化设计方法,进行了单帽型薄壁结构的弯曲吸能特性优化设计。优化结果表明,该方法利用响应面近似模型能够非常精确的拟合单帽梁比吸能及加载力最大峰值与各个影响因素之间的关系,通过优化提高了薄壁结构的弯曲吸能特性,能够在汽车被动安全优化设计中,对汽车B柱、门槛梁等关键部件的尺寸优化起到指导作用。相比于以往研究,采用了试验验证的方式,有效提高了计算结果的可靠性。     

地铁车辆蜂窝式防爬器的结构设计及优化

为研究某型地铁车辆蜂窝式防爬器的吸能特性，根据轨道车辆耐撞性标准，对其吸能区域的结构进行合理设计，进而研究了不同薄壁壳厚度和蜂窝厚度下蜂窝式防爬器的吸能特性。利用四次多项式响应面代理模型拟合出其压缩力效率，并运用多岛遗传算法对其压缩力效率最大值进行寻优。结果表明：多级蜂窝式防爬器的比吸能和压缩力效率都明显优于相同质量下的单级蜂窝式防爬器和圆管式防爬器；薄壁壳壁厚对多级蜂窝式防爬器的撞击力影响较铝蜂窝壁厚更为显著；通过使用四次多项式响应面法和多岛遗传算法在设计空间中寻找到其最优的壁厚组合，压缩力效率比优化前提高了6.03%，相较圆管式防爬器提高了60.96%；该防爬器在压缩力效率和比吸能方面具有明显优势，应用于地铁车辆的吸能防爬环节将发挥其重要的作用。     

杨桃启发的仿生星形薄壁结构耐撞性研究

薄壁吸能结构在航空航天和交通运输等领域发挥着重要作用。受具有出色抗压特性的杨桃果实启发,设计了仿生星形薄壁结构。通过有限元仿真、实验和理论分析结构变形和吸能机制,讨论截面形状和几何参数对薄壁结构吸能特性的影响。探究了层级设计与加强筋配置对星形薄壁结构耐撞性的优化效果。结果表明,星形薄壁结构具有规则的渐进折叠变形机制,其比吸能、压溃力效率等耐撞性能大幅优于常见截面的薄壁结构,具有良好的工程应用潜力。     

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。     

基于柔性腿型的轿车前部吸能结构研究

针对轿车前端吸能结构与柔性腿碰撞伤害值的问题,对轿车前端吸能部件结构与材料进行了研究。通过运用计算机辅助工程技术,建立了某轿车以及泡沫吸能结构和薄壁钢吸能结构有限元模型;轿车前端分别采用了两种吸能结构,并改变了吸能结构的压溃空间,与柔性腿仿真模型进行了碰撞实验;通过实验数据分析、对比了两种吸能结构与柔性腿相撞的特点。实验结果表明,汽车前端吸能结构使用泡沫材料,适当减小泡沫厚度,有利于降低柔性腿韧带伸长量;吸能结构使用薄壁钢结构则需要足够的吸能空间,有利于调整碰撞腿型运动姿态,降低柔性腿胫骨弯矩及韧带伸长量;薄壁钢结构刚度均匀且具有金属的压溃特性,在与行人腿部相撞时,可以起到更好的保护作用。     

低速碰撞下传统方形截面吸能盒结构参数对吸能特性的影响

以传统方形截面吸能盒为研究对象,运用数值模拟方法系统地研究了吸能盒壁厚和V型诱导槽数目在低速碰撞下对其吸能特性的影响。研究结果表明:壁厚增加,吸能盒的吸能量增长率不及碰撞力峰值增长率,吸能特性下降。与无诱导槽的吸能盒相比,V型诱导槽的设置能有效降低初始碰撞力峰值,但其对吸能量影响不大;设置2个V型诱导槽的吸能特性下降,设置1个和3个V型诱导槽的吸能特性提高。     

铝合金薄壁多角管轴向冲击吸能特性研究

研究了一种薄壁多角管的能量吸收结构,分析对比了相同截面周长、相同材料用量、不同截面结构形式的铝合金薄壁多角管在轴向冲击载荷作用下的能量吸收特性,利用改进的折叠单元方法对薄壁多角管轴向冲击压缩力进行了理论预测,探讨了截面折角对薄壁多角管吸能特性的影响。研究表明,通过截面折角的增加能够提高薄壁管的能量吸收特性,多角管截面折角的数量与折角最短边的长度对吸能特性有重要的影响。在相同材料用量下,折角数量为12的薄壁多角管,最大压缩力效率比方管提高11.6%,但随着截面折角数量的增加使折角最短边的长度减小,薄壁管可能出现整体失稳的现象,吸能特性有所降低。     

自相似仿生层次多胞薄壁管的耐撞性研究及优化

仿生结构以其优异的力学性能被广泛的应用于各种机械结构中。为了提高薄壁结构的耐撞性,将结构仿生学概念引入其结构设计中,提出了一种新型的多胞薄壁吸能结构。采用了理论和数值模拟技术对0~2阶次层次截面的薄壁结构进行对比分析,结果表明:随着仿生层次结构的不断增加,仿生薄壁结构的吸能特性与变形模式进一步提升。同时,结合响应面法和遗传算法对2阶层次截面的薄壁结构进行了优化,并得到了相应的Pareto前沿图,为薄壁结构的耐撞性设计提供了新思路。     

内外交错刻槽薄壁圆管轴向冲击载荷的数值模拟及预测

薄壁圆管预设不同诱导结构能有效改善吸能特性。利用Ls-Dyna有限元软件模拟内外交错刻槽薄壁圆管受轴向冲击作用时的瞬态响应,对比了不同刻槽形式的薄壁圆管轴向冲击载荷特性;基于Hosseinipour提出的理论变形模型,推导了考虑应变率效应的平均载荷计算式,并通过引入几何参数预测峰值载荷。结果表明:相比薄壁直管,采用一定尺寸的内外交错刻槽薄壁圆管能有效降低62.24%的峰值载荷和56.26%的平均载荷;内外交错刻槽薄壁圆管受轴向冲击时的褶皱变形呈对称状,这与Hosseinipour所提变形模式一致;平均载荷,峰值载荷的预测结果与有限元结果一致。     

轻卡正面碰撞安全性优化研究

为提升某轻型卡车的正面碰撞安全性,基于Hyperworks系列软件进行该卡车的正面碰撞有限元仿真,根据碰撞过程中驾驶室地板前端的纵向反力随时间变化曲线,结合方形截面薄壁梁压溃理论,设计出一种具有缓冲吸能作用的结构,将该吸能结构添加至卡车有限元模型并进行正面碰撞仿真验证,结果表明,吸能结构吸收掉40.5%的碰撞能量,同时驾驶室生存空间较优化前有了明显的提升。     

钢蜂窝夹芯结构的准静态压缩吸能特性

利用MTS810型材料试验机对Q215钢蜂窝夹芯结构进行了准静态压缩试验,分析了其结构参数对抗压强度和比吸能值的影响.结果表明:Q215钢蜂窝夹芯结构具有良好的吸能特性,比吸能值达到5～38 kJ·kg-1;沿x,Y方向压缩时,抗压强度和比吸能值均随面板厚度与夹芯厚度比的增加而增大;沿x方向压缩时,抗压强度和比吸能值均随胞壁厚度与胞壁边长比的增加而增大.     

基于逐步回归模型的汽车正碰性能改进设计

汽车碰撞是一种不连续、非线性、大变形过程,改进其结构涉及到多变量、多约束、多目标的优化。采用整车正碰过程中的关键吸能薄壁构件为研究对象,对薄壁构件的比吸能最大化,整车初始碰撞力峰值及加速度峰值最小化进行多目标优化。论文以薄壁构件的厚度为设计变量,采用均匀试验设计法安排试验,并利用逐步回归分析对仿真试验数据拟合建立高精度的代理模型,最后利用虚拟目标法对代理模型进行多目标求解。在保证汽车正碰驾驶室有足够安全空间的前提下,显著的提高了薄壁构件的比吸能及降低了初始碰撞力和加速度峰值。     

薄壁管结构的耐撞性研究

通过非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对异截面同厚度和同截面异厚度的薄壁结构进行了数值分析,研究了其截面形状、壁厚、诱导槽等对撞击性能的影响,得出了薄壁管结构的吸能特征。分析表明:(1)锯齿管与圆形管具有相近的吸能效果,可以作为一种新型的薄壁管吸能元件;(2)横截面形状对薄壁管的比吸能有很大的影响,圆形管比吸能效果最好;(3)薄壁管的吸能随厚度增加而提高,但撞击力峰值与撞击力均值也会随之增加,达到4mm时吸能不再提高;(4)预变形结构能够使薄壁管的比吸能减少极小的情况下大幅降低撞击力峰值与撞击力均值,能有效地避免对乘客带来二次伤害,极大地提高了机车的耐碰撞性能。     

面向地铁车辆的多胞元铝型材结构压缩吸能特性研究

提出了一种适用于地铁车辆的新型多胞元铝型材吸能结构.此种结构具有形式简单、成本低廉的特点.通过试验测试与数值模拟相结合的方法对该结构的吸能特性展开研究.研究结果表明多胞元铝型材结构的吸能能力稳定,压溃力对冲击速度的变化不敏感.多胞元铝型材结构的压溃力与材料屈服强度、型材壁厚大致呈线性关系.     

泡沫填充蜂窝夹层结构汽车吸能盒吸能特性研究

吸能盒是交通事故中尤其是低速碰撞最先进行溃缩吸能的结构,传统吸能盒一般为薄壁方形管结构,随着设计理念的发展,提升吸能能力最主要的两条路线为泡沫填充和复合夹层结构填充。本文分别将EPP泡沫填充六边形,类四边形和类蜂窝夹层,形成复合型泡沫填充蜂窝夹层吸能盒,采用理论分析与数值仿真的方式,以相应的碰撞评价参数对其进行吸能特性研究。结果表明：泡沫填充蜂窝夹层结构吸能盒大大提升了传统吸能盒的吸能能力,并且采用泡沫填充后,蜂窝夹层结构吸能盒的吸能特性也得到了进一步增强。     

环形梯度多胞结构的多工况耐撞性研究

针对传统多胞薄壁结构在受到冲击时峰值力过大以及在斜向碰撞时易产生全局弯曲而失稳的问题,提出了一种新颖的具有梯度材料分布特性的环形梯度多胞管。提出并推导了环形多胞结构的平均碰撞力的理论模型,并进一步采用实验方法验证了理论模型的可行性。采用数值分析的方法,对比研究环形梯度多胞结构和均匀多胞结构在多角度冲击工况下的吸能特性。研究结果显示：梯度多胞结构比均匀多胞结构具有更好的能量吸收能力和承载特性,尤其在大角度倾斜冲击工况下,梯度多胞结构具有更明显的耐撞性优势;并且,随着梯度指数的增大,梯度多胞结构的峰值力、能量吸收能力都会降低,并呈现逐渐收敛的趋势,梯度厚度区间也对梯度结构的耐撞性有重要影响。     

胞元参数对铝蜂窝吸能特性的影响

铝蜂窝是一种多孔材料,具有良好的吸能特性,广泛应用于航天领域和轨道交通领域。六边形铝蜂窝的吸能特性受胞元边长l、胞元壁厚t及扩展角α的影响;加强正六边形铝蜂窝的吸能特性与正六边形铝蜂窝不同。通过对不同胞元参数的正六边形铝蜂窝吸能特性进行理论计算,用Hypermesh对正六边形和加强正六边形蜂窝结构进行准静态压缩仿真分析,得到其平均应力和比吸能。结果表明:正六边形和加强正六边形铝蜂窝的平均应力和比吸能随蜂窝胞元边长的增大而减小,随壁厚的增大而增大;相同胞元参数下,加强正六边形蜂窝的平均应力及体积比吸能高于正六边形蜂窝,但是质量比吸能小于正六边形蜂窝。