关键词： 折纹管   能量吸收   准静态压缩   有限元   梯度型刚度  

摘要： 薄壁管是一种常见的吸能结构,在薄壁管中引入折纹可以诱导薄壁管发生变形,有效降低薄壁管屈曲的初始峰值力并提高其能量吸收。目前,大部分折纹管受到轴向压缩时,初始峰值力后的压溃力下降显著,降低了折纹管的吸能性能。为有效提高折纹管的吸能性能,并降低折纹管的初始峰值力,在方管中引入不同形式的折纹得到折叠收缩管,利用ABAQUS/Explicit模拟设计折叠收缩管的准静态压缩,得到其变形及力与位移曲线。结果显示,与传统方管和菱形折纹管相比,折叠收缩管的初始峰值力显著降低,且压溃力随着压缩距离的增加呈梯度上升趋势,大幅提升了薄壁管的能量吸收性能。另外,系统研究了折叠收缩管的几何参数对其性能的影响,获得了性能优异的折纹管。

关键词： 拓扑优化   梯度结构   吸能特性   承载特性  

摘要： 理想的碰撞吸能结构在吸收碰撞能量的同时应具备一定的承载能力,更好地保护人员及设备安全,而现有方法一般仅从宏观或细观单一角度进行碰撞吸能结构设计,不能很好地兼顾吸能和承载需求。构型呈梯度变化的梯度结构具有很好的碰撞吸能特性,故本文利用宏细观一体化设计思想,从宏观结构和单胞构型的两个方面出发,以结构刚度表征承载特性,负泊松比表征吸能特性,提出了兼具吸能和承载特性的梯度结构宏细观跨尺度拓扑优化方法。在宏观尺度,基于功能梯度及聚类分析思想,研究出具有刚度梯度特性的结构宏观区域划分优化方法;在细观尺度,基于能量均匀化理论建立了以结构刚度和负泊松比为目标函数的多目标拓扑优化模型。对优化得到的结构吸能与承载特性进行测试与分析,结果验证了所提出的方法能够有效地应用于防撞结构设计。

关键词： 冲击地压   防冲支架   吸能构件   吸能防冲性能  

摘要： 针对冲击地压下巷道支护设备防冲能力差,易遭受冲击性失效问题,提出一种防冲支架用变梯度薄壁圆筒吸能防冲构件,设计变梯度薄壁圆筒吸能构件不同的壁厚差和段数参数,对各参数变梯度薄壁圆管其进行冲击压溃模拟仿真,并分析各相关吸能防冲性能参数,结果表明:变梯度薄壁圆管构件段数和厚度差的增加均会使薄壁圆管压溃初始壁厚变小,从而减小初始峰值力;在平均壁厚相同情况下,不同壁厚差和段数的变梯度薄壁圆管的平均支反力和总吸能量高于普通薄壁圆管9.3%~178%;在各参数变梯度薄壁圆管中,分为四段且厚度差为0.5 mm的变梯度薄壁圆管构件的初始峰值力、吸能量和平均支反力、支反力波动性能参数较优,是ZQ6000/26/36两柱单导杆式防冲支架较为理想的防冲吸能构件。变梯度薄壁圆管构件的设计可以改变普通薄壁圆管构件形成塑性铰的位置及数量,使薄壁构件变形趋向较为稳定的钻石模式和混合模式转变,提高了吸能防冲能力。

关键词： 碳纤维复合材料   厚度梯度薄壁圆管   轴向准静态压缩   比吸能   响应面模型  

摘要： 随着社会发展,人们的生活条件越来越好,为了出行方便越来越多的人购买汽车,而汽车事故如碰撞起火等安全性问题也随之增加,因此便要求研究人员要重点关注汽车碰撞安全问题。与此同时,环境污染和能源短缺等问题也越来越严重,而轻量化是减少消耗和降低排放的重要手段,汽车重量的减小能够有效的保护能源缓解能源危机并同时减少环境污染,对于可持续发展具有重要意义。使用具有优良吸能性能且密度较小的新型材料来设计一些新型结构能够有效的提高汽车安全性和实现汽车轻量化。复合材料因具有高比吸能和高比强度等优点而得到迅速发展,被广泛的应用于各个行业,在许多工程领域都发挥了重要作用,在某些部位使用复合材料代替传统金属材料,既能降低结构的重量还使结构的安全性能得到了保障。因此,对复合材料结构的耐撞性进行探究是学者们必须要进行的,在各式各样的复合材料中,碳纤维材料力学性能突出,在重量强度方面有不可比拟的优势,制作工艺较为简单能够轻松的制作出所需的结构,受到了广大厂商以及研究人员的青睐,是汽车轻量化材料中最有发展前景的。本文提出一种新型的厚度梯度碳纤维薄壁结构,在轴向方向分为3段,每段长度相等,厚度从小到大逐级增加,探究该结构的吸能性能并进行优化,研究内容如下:1)介绍课题背景,说明了汽车轻量化的意义和必要性,简述了薄壁材料的吸能特性,介绍了国内外的研究现状。简介了有限元理论以及有限元算法的相关知识。2)介绍了复合材料的特点性质,包括碳纤维材料优点以及力学失效准则,对比介绍碳纤维圆管与金属圆管沿轴向压缩的变形模式和失效机理。介绍了碳纤维产品的常见制作工艺以及本文样件的制作方法。3)对梯度碳纤维管和均厚碳纤维管进行准静态压缩试验,对比两种结构的压缩结果,分析厚度梯度碳纤维薄壁圆管的吸能特性。得出以下结论:在压缩过程中,碳纤维梯度管分层吸能,更充分有效。虽然均厚管吸收的总能量更高,但其质量也更大,最终比吸能反而小于梯度管。对比梯度管和均厚管的力位移曲线发现梯度管厚度逐级增加的特性使得其安全性能更高。4)为了减少实验成本并缩短研究时间,实验完成后利用Ls-dyna软件仿真模拟碳纤维厚度梯度薄壁圆管准静态压缩实验,在LS-DYNA中使用MAT-54材料,根据实验结果调整仿真材料参数,使仿真结果和实验结果较为近似,而后使用该参数进行碰撞仿真,证明该结构能够有效吸能。为了进一步探讨梯度管的失效机理,将梯度管第二段和第三段的厚度进行调换,对仿真结果分析发现调换位置后的梯度管对乘员有更好的保护作用。5)仿真参数调整完成后,以圆管的壁厚为设计变量,以吸能最大和质量最小作为优化目标,使用响应面模型进行优化设计寻找吸能更优的结构,优化计算完成后选取Pareto曲线上的一点与有限元仿真结果进行对比验证。

关键词： 两种方向   均匀蜂窝   梯度厚度   变形模式   动力响应   吸能效率  

摘要： 多胞金属以自身的轻质高强和吸能隔音隔热等优良特性,已广泛应用于碰撞吸能防护装置以及航空航天等领域,其典型代表就是均匀蜂窝铝材料。随着该研究领域的深入化和工程界的多元化需求,单一均匀的蜂窝材料难以满足更高的使用要求,梯度多孔材料逐渐兴起,为的是能得到低应力峰值和长平台区段的理想化蜂窝材料。本文首先利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了均匀蜂窝铝材料模型,并验证了模型的可靠性,随后模拟了两种速度下两种类型的蜂窝铝材料面内的变形和吸能情况。为了更直观了解其变形和吸能机理,另建立了单胞元蜂窝有限元模型做对比,得出结论:均匀蜂窝材料的吸能效果随着冲击速度增大而提高,且相同速度对比下,单胞元X方向吸能更好,而蜂窝组合结构下X方向吸能要好。基于前面提到的均匀蜂窝模型,再次通过改变三种壁厚的排列组合方式来实现梯度化,研究了不同速度不同厚度组合下的变形模式、冲击端动力响应和固定端动力响应,并引入相对密度变化绝对值的概念来解释应力峰值的大小变化规律,且比较了几种模型对应的平台长度。最后通过有限元和传统理论方式综合比较出不同速度不同厚度组合下的几种蜂窝试件的吸能效率。最后得出结论:梯度蜂窝吸能综合性能较均匀蜂窝要更好,且随着速度增加吸能效率增加,同一种厚度梯度排列下X方向吸能效果更理想。两种方向在高速冲击下吸能都会分为两个阶段,前半程是S321吸能效率最优,当压缩过程达到接近百分之60时会出现一个转折点,该点之后S213的能量吸收效率变为最高。为梯度蜂窝材料设计以及吸能优化设计提供一些参考。图[44]表[4]参[86]

关键词： 薄壁结构   轴向冲击   梯度厚度   能量吸收   压溃模式  

摘要： 梯度厚度和多折角设计是提升薄壁结构吸能效率的两种有效策略,将这两种策略联合,提出了具有双面梯度厚度的多角薄壁结构(包括方管和非凸多角管),并对其在轴向冲击下的力学行特性进行了理论分析,推导了该结构的平均撞击力理论模型。基于显示非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对该结构进行了仿真实验研究,且仿真实验结果与理论预测值有较好的一致性。实验结果表明:增加折角数和提升厚度梯度均可有效提升管件的吸能效率。作为梯度厚度策略与多角薄壁结构的联合,具有双面梯度厚度的非凸多角管相比传统均匀厚度的方管在比吸能上提高148%~205%,充分展现了这种联合策略在提升薄壁结构耐撞性方面的高效性。

关键词： 芯体截面梯度变化点阵夹层结构   点阵夹层结构   吸能特性   压缩载荷  

摘要： 应用有限元分析方法,对芯杆直径沿点阵夹层结构厚度方向梯度变化的点阵夹层结构平压性能进行了分析,并将计算结果与传统点阵夹层结构进行了对比。结果表明:通过比较极限承载力计算模型和有限元分析结果其最大误差为8.9%,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构极限承载力小于传统点阵夹层结构。芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率要优于传统点阵夹层结构,且当梯度化系数为0.05时,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率达到最大值。

关键词： 汽车吸能盒   点阵结构   负泊松比效应   梯度优化设计  

摘要： 随着我国汽车行业的飞速发展，节能、环保、安全已经成为汽车工业发展的三大主题，增材制造技术(3D打印)的发展，给汽车的结构设计提供了新思路，更多复杂的结构在制造工艺上得以实现。　　汽车的保险杠系统是汽车在发生正面碰撞时的主要吸能结构，吸能盒是保险杠系统中的重要组成元件。吸能盒作为吸能部件，需要具有良好的力学特性和吸能性能。点阵结构是一种具有周期性排列的多胞结构，具有多孔性，因此其具有轻质的特性。点阵结构是由一系列相同的代表性单元构成，其整体性能与代表性单元的几何结构有着紧密的联系。而负泊松比结构,又名拉胀结构，在受到压缩作用时，横向出现收缩现象，受到拉伸作用时，出现横向膨胀现象，该现象被称为负泊松比效应。具有负泊松比效应的结构通常具有良好的抗压能力和结构韧性。　　本文基于内凹产生负泊松比效应的机理，提出了一种新型的具有负泊松比效应的点阵结构，该结构结合了点阵结构和负泊松比结构的优良特性，具有良好的力学性能。基于该结构，本文提出了三种加强点阵结构。利用仿真技术研究了梯度点阵结构的力学特性，并通过金属增材制造技术制造了样品，进行了试验研究。在此基础上，提出了一种基于梯度点阵结构的新型吸能盒。以某款车为例，通过结构优化设计和仿真，提高了车辆正面碰撞的整车安全性。　　本文通过对结构进行参数化分析，对比了四种负泊松比点阵结构的力学特性，得到了综合表现最优的一种结构，即TypeC。基于该点阵结构进行了吸能盒设计，研究了均匀点阵结构的压缩力学特性与杆截面半径之间的关系，结果表明当杆截面半径小于1mm时，随着杆截面半径的增大，压缩载荷增大且吸能效率提高。　　针对均匀点阵结构初始峰值载荷较大的问题，本文对点阵结构进行了梯度设计，通过改变各层结构的杆截面半径得到不同的梯度分布，研究了不同形式的梯度分布对于结构压缩力学性能的影响。通过对比分析后选取了性能更优的正梯度型结构，并采用DOE、近似模型和现代优化算法相结合的方法对梯度结构进行了进一步的优化，得到了最优的梯度结构。将优化得到的梯度点阵结构应用于整车正面100%刚性壁障碰撞中，并与传统薄壁结构吸能盒的车辆碰撞安全性进行了对比。结果表明，均匀点阵结构吸能盒性能优于传统吸能盒，而梯度点阵结构吸能盒比均匀点阵结构吸能盒性能更好。　　最后，本文总结了点阵结构的力学特性与几何结构之间的关系，为汽车吸能结构的新型设计提供了思路，并对进一步工作的方向做了讨论。

关键词： 闭孔泡沫铝   动态压缩   塑性波   细观有限元模型   梯度多孔材料  

摘要： 基于闭孔泡沫铝的显微CT扫描信息,考虑胞孔的不规则形貌及胞孔分布的不均匀性,以及胞孔尺寸和壁厚沿泡沫高度的梯度分布,建立了梯度泡沫金属材料的二维细观有限元模型,分析了梯度泡沫金属材料在动态压缩过程中的变形、塑性波的传播和能量变化特征。对于平均相对密度0.3、平均梯度系数0.4的梯度泡沫铝,低速(10 m/s)加载时,梯度泡沫金属在变形的整个过程中吸收的总能量均低于均匀泡沫金属;高速加载时,梯度泡沫金属沿负梯度方向压缩的早期吸能比均匀泡沫金属有优势,而且速度越高,优势越明显。

关键词： 汽车材料   耐撞性   功能密度梯度泡沫铝   泡沫铝填充锥形管   试验研究和数值研究  

摘要： 为研究功能密度梯度泡沫铝填充薄壁锥形结构在汽车吸能盒上应用的可行性,对锥形泡沫铝、铝合金薄壁结构、泡沫铝填充薄壁结构,进行了单轴准静态压缩试验及数值仿真分析。取得了对功能密度梯度泡沫铝的密度变化梯度和泡沫铝填充薄壁结构的接触面的数值建模的实用性经验。对比试样的变形模式、载荷—位移曲线、吸能量(AE)和比吸能量(SAE)。结果表明,在准静态压缩工况下,截面形状对锥形泡沫铝试样和泡沫铝填充薄壁结构试样的吸能性能影响不大;锥形泡沫铝填充薄壁结构的吸能性能优于对泡沫铝和铝合金薄壁结构的叠加吸能。