关键词： 吸能盒   功能梯度结构   仿生截面   结构设计   多目标优化  

摘要： 传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成梯度材料结构,同时仿照竹节虫胫骨截面结构对其横截面形状进行优化,并基于优化拉丁超立方体试验设计和响应面模型对竹节虫胫骨横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明,优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。

关键词： 点阵材料   能量吸收   数值模拟   梯度结构   优化设计  

摘要： 提出了一种新型的余弦函数胞元基（Cosine function cell-based，CFCB）点阵材料，并对其面外压缩载荷下的力学性能开展试验及仿真研究，试验结果表明新型CFCB点阵材料在准静态面外压缩载荷下的能量吸收较相同质量的(Body centered cubic，BCC)点阵材料提升了134.4%；此外，通过有限元仿真发现CFCB点阵材料的能量吸收随胞元单杆直径增加而增加。为了进一步改善均匀型CFCB点阵材料的面外压缩变形模式并提高其承载性能，设计了一种层间梯度CFCB点阵构型，并结合试验与仿真手段探究了梯度CFCB点阵材料在准静态面外压缩载荷下的能量吸收特性及关键参数对其吸能特性的影响规律。结果表明，与均匀CFCB点阵材料相比，梯度CFCB点阵材料在吸能方面具有更强的优势，且增大梯度系数可以提高层间梯度点阵材料的承载能力与能量吸收能力。最后采用离散变量多目标优化方法对层间梯度CFCB点阵材料进行了优化设计，优化后的梯度CFCB梯度点阵材料质量减少20.9%，能量吸收增加7.1%。研究能够对新型CFCB点阵材料及其梯度构型设计提供可靠的试验结果、准确的数值模型以及高效的优化方法。

关键词： 梯度功能柱胞   吸能材料   准静态压缩   变形规律   吸能性能  

摘要： 通过万能试验机对梯度功能柱胞吸能材料进行了准静态压缩试验，研究了材料种类梯度配置、赤道半径梯度配置、极半径梯度配置、壁厚梯度配置4种不同芯层配置方式对梯度功能柱胞吸能材料变形规律和吸能性能的影响。结果表明，试样的变形吸能性能在压缩过程的前期主要受上层柱胞影响，后期主要受下层柱胞影响。均质柱胞吸能材料的上下层柱胞在整个变形过程差异较小，而梯度功能柱胞吸能材料都具有逐层变形、渐进吸能的特点。在准静态压缩荷载作用下，压缩80%的情况下，由于所有试样的变形程度均较为充分，此时试样的吸能量主要受压溃力指标影响，压溃力指标越高，吸能量越高；反之，压溃力指标较小时，位移越大的试样，吸能量越高。

关键词： additive manufacturing   lattice structure   triply periodic minimal surface   energy absorption   sound absorption  

摘要： Lattice structures have drawn much attention in engineering applications due to their lightweight and multi-functional *** this work,a mathematical design approach for functionally graded(FG)and helicoidal lattice structures with triply periodic minimal surfaces is *** types of lattice structures including uniform,helicoidal,FG,and combined FG and helicoidal are fabricated by the additive manufacturing *** deformation behaviors,mechanical properties,energy absorption,and acoustic properties of lattice samples are thoroughly *** load-bearing capability of helicoidal lattice samples is gradually improved in the plateau stage,leading to the plateau stress and total energy absorption improved by over 26.9%and 21.2%compared to the uniform sample,*** phenomenon was attributed to the helicoidal design reduces the gap in unit cells and enhances fracture *** acoustic properties,the design of helicoidal reduces the resonance frequency and improves the peak of absorption coefficient,while the FG design mainly influences the peak of absorption *** broad range of frequency from 1000 to 6300 Hz,the maximum value of absorption coefficient is improved by18.6%-30%,and the number of points higher than 0.6 increased by 55.2%-61.7%by combining the FG and helicoidal *** study provides a novel strategy to simultaneously improve energy absorption and sound absorption properties by controlling the internal architecture of lattice structures.

关键词： 锥形吸能盒结构   梯度泡沫铝   准静态压缩   有限元仿真   轻量化设计  

摘要： 为了满足结构轻量化和吸能需求，设计和研究优异的吸能盒结构，采用Abaqus有限元软件对填充梯度泡沫铝锥形吸能盒准静态轴向压缩行为进行了仿真模拟和轻量化设计。通过与文献实验对比，验证了有限元计算模型的有效性。接着研究了正方形截面吸能盒锥形底角、诱导槽数目、诱导槽的高度和深度以及梯度材料参数等因素对填充梯度泡沫铝锥形吸能盒结构轴向压缩下吸能特性的影响。之后以同等质量结构较低峰值载荷及优异能量吸收为优化目标，对填充梯度泡沫铝锥形吸能盒结构进行了优化设计。结果表明：这些因素对提高吸能盒吸能特性有较好的效果。优化后的填充梯度泡沫铝锥形吸能盒结构最大峰值力降低了20%、比吸能提高了3.6%，并且其碰撞力-位移曲线更加平缓，更有利于吸能盒能量吸收。

关键词： 梯度   多孔结构   超弹性   隔冲性能   减振特性  

摘要： 舰船受到的复杂动态冲击会对舰船设备造成较大损伤,因此舰船设备的防护力是影响舰船生命力的重要因素之一。研究表明,多孔结构在动态载荷作用下具备良好的隔振性能与吸能作用,超弹性材料具备良好的隔冲性能。然而,多孔结构在面对冲击的时候,往往会出现可靠性与刚度较差的现象。基于上述背景,为了提高结构的冲击隔离性能的同时兼顾隔振性能,本研究针对舰船齿轮箱的隔冲需求,设计并制备出管状增强超弹梯度多孔结构,并系统研究了该结构的动态响应、模态特性、减振性能和冲击隔离性能。主要研究内容包括:首先,针对舰船齿轮箱的隔冲需求,基于仿生梯度设计思想和冲击动力学理论,结合轻质多孔结构优异的力学性能和聚氨酯材料的高阻尼超弹特性,设计出兼具优异力学承载性能和隔冲性能的新型管状增强超弹梯度多孔结构。结合工程实际,开发该结构的模压灌注一体化成型工艺,并实现各类不同规格的管状增强超弹梯度多孔结构的制备。通过聚氨酯圆柱形试样标准压缩测试试验,拟合出聚氨酯母材的Mooney-Rivilin超弹性本构参数,并采用DMA测试,获得其粘弹性参数,为后续结构的相关性能研究提供基础数据支撑。然后,建立新型管状增强超弹梯度多孔结构的三维有限元动力学模型,研究了拓扑构型、孔隙率、增强管壁厚、冲击脉宽与幅值等因素对于其隔冲性能的影响。结果表明,三角形管状增强超弹梯度多孔结构具有较低的固有频率和较好的隔冲性能。通过结构的固有振动特性和振动响应分析,获得结构的各阶固有模态、加速度响应和振级落差曲线。结果发现,结构在100Hz-200Hz之间具有较好的隔振作用。为降低舰船用隔冲器的质量,使用碳纤维复合材料作为管状增强材料,使用多尺度方法计算新型管状增强超弹梯度多孔结构的隔冲性能,结果表明,使用碳纤维复合材料的新型管状增强超弹梯度多孔结构的隔冲性能要低于使用铝管的隔冲器。最后,针对两种不同规格的齿轮箱,开展新型管状增强超弹梯度多孔结构的冲击试验,获得其加速度响应和隔冲效率。结果表明,该结构在大多数工况下均有较好的冲击隔离效果,隔冲效率可达40%以上,通过与数值结果对比,验证了仿真模型的准确性。研究结果可为舰船新型隔冲减振装置提供理论参考和技术储备。

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。

关键词： 吸能盒   功能梯度结构   仿生截面   结构设计   多目标优化  

摘要： 吸能盒是汽车车身结构中重要的安全装置,在事故发生时,通过溃缩吸收外部冲击的动能,保证乘客的安全。传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量和单位位移吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。如何选择合适的材料来提高其吸能效果、控制其溃缩状态、同时降低其结构重量是重要的研究方向。为此,本文引入一种功能梯度型吸能盒结构,即让吸能盒从一端的316L不锈钢逐渐过渡至另一端的铝合金,实现在吸能盒减重的同时,达到良好的溃缩状态和吸能效果。首先,为了寻找吸能盒最佳结构,通过有限元分析软件模拟不同截面不同材料吸能盒的准静态和动态冲击过程,得到碰撞力曲线和变形模式云图。与此同时,本文利用选区激光熔化(SLM)技术制造了功能梯度仿生吸能盒,并与有限元仿真模型进行对照,验证了仿真的正确性。通过万能试验机进行准静态压缩试验,验证了仿生截面的功能梯度材料吸能盒拥有最佳的能量吸收性能。其次,为提升吸能盒的吸能效果,本文提出利用仿节虫胫骨截面结构设计对吸能盒截面形状进行优化。基于优化拉丁超立方体试验设计响应面模型,通过近似理论构建近似模型,以更加简单更易计算的近似函数来解决复杂的吸能盒目标函数问题,对仿生吸能盒横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明:优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升5.6%,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。进一步地,对吸能盒材料的最优梯度分布状态进行研究。本文通过满意度函数S评估改进效果,从而优化了梯度形状分布因子P。最后,本文开展了铝合金增材制造成形工艺研究。旨在通过对扫描速度、激光功率的优化,结合TiCN陶瓷颗粒增强,有效提升AlSiMg材料的抗拉强度、硬度、致密度等性能,完成了零部件成形工艺的优化。同时将TiCN增强AlSiMg新型材料应用于汽车吸能盒上,研究不同工艺参数和含量对新型材料组织与力学性能影响使新型吸能盒性能显著提升。试验结果表明350w、1650mm/s为最优制造工艺参数,0.2%含量为TiCN最优添加量。