关键词:
耐撞性
薄壁结构
吸能结构
负泊松比
优化设计
摘要:
提高车身结构的耐撞性对乘员安全性和车身结构的维修经济性均起到促进作用。薄壁金属吸能结构因其轻质、价廉等优点已被广泛应用于车身结构中。因此,薄壁吸能结构在车身耐撞性设计中具有重要意义。论文围绕薄壁吸能结构的创新设计开展研究,综合利用理论分析、试验技术、数值仿真以及多目标优化等多种研究方法,提出并研究了多种新型的薄壁吸能结构,开展了系统的耐撞性研究工作。研究的主要内容如下:(1)菱形层级梯度六边形管(Rhombic hierarchical gradient multicellular hexagonal tube,RHGMHT)在轴向冲击下的耐撞性及优化研究。基于层级梯度设计了一系列新型的RHGMHT。通过实验验证了有限元模拟的可靠性。其次,对比了截面构型梯度分布与非梯度分布的影响以及与其他结构的耐撞性进行对比。随后,对RHGMHT开展参数化研究,分析壁厚、层级、不同肋壁厚的影响。参数化研究表明,2阶RHGMHT最高的比吸能(Specific energy absorption,SEA)比0阶六边形管提高了57.89%。通过简化超折叠单元(Simplified super folding element,SSFE)理论预测不同参数下RHGMHT的平均冲击力(Mean crushing force,MCF)。最后,通过第二代非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)寻优。(2)双梯度层级六边形管(Double-gradient hierarchical hexagonal tubes,DGHHT)在多重载荷下的耐撞性研究。通过双梯度层级设计获得新型的DGHHT。首先与单梯度层级六边形管(Single-gradient hierarchical hexagonal tubes,SGHHT)对比,验证其多重载荷下的耐撞性。随后,开展参数化研究,分析壁厚、层级、冲击的角度对其耐撞性的影响。最后,与常规结构对比,突出在较高的冲击角度下,其抵抗整体弯曲的能力。(3)仿生层级梯度多胞管(Bio-inspired hierarchical gradient multi-cell tubes,BHGMT)在轴向冲击下的耐撞性研究。通过植物微观结构的分布特征设计了一系列BHGMT。首先,通过实验验证有限元模拟的可靠性。随后,对BHGMT开展参数化研究。参数化研究表明,4阶BHGMT的SEA比方管提高了2.43倍。最后,通过SSFE理论预测不同参数下BHGMT的MCF。(4)面内冲击下新型层级梯度内凹六边形蜂窝的吸能性能研究。提出了一种新型的内凹六边形蜂窝(Novel re-entrant honeycomb,NREH)。首先,对比了3种NREH的吸能性能,发现在面内冲击时σ和SEA相差不大,而NREH-3的泊松比更小。随后,对NREH-3开展了参数化分析。分析NREH-3角度θ的变化发现,θ在60°至90°之间,SEA随角度增加而增加。在90°至120°之间,随角度增加而下降。其中NREH-3-80比NREH-3-60的SEA提高了41.46%,而泊松比保持不变。