多胞薄壁结构优化及结构参数对耐撞性影响分析

为提高多胞薄壁结构的轴向耐撞性,基于动态拓扑优化得到薄壁结构在轴向冲击下的最优截面构型,设计了一种混合多胞薄壁结构(mixed multicellular thin-walled structure, MMTS)。运用有限元方法,对比了混合多胞薄壁结构与基于经验设计的窗型多胞结构及仿生树状分形结构在轴向冲击下的耐撞性能。为了进一步提高材料利用率,以结构尺寸为设计变量进行多目标优化。在此基础上,对结构进行水平截面一次变壁厚分析,获得耐撞性能随壁厚的变化趋势。研究结果表明:混合多胞薄壁结构相比等质量窗型多胞结构、树状分形结构耐撞性能大幅提高;与初始设计的MMTS相比,优化后比吸能增加了45.78%,质量降低7.14%,吸能过程更平稳。

热处理工艺对SLM打印波纹管耐撞性影响

为了获得稳定的轴对称变形模式和较好的耐撞性,设计轴向轮廓为正弦曲线的薄壁锥形波纹管。采用SLM制备AlSi10Mg合金试样和波纹管,并进行拉伸实验和波纹管轴向压溃实验,采用实验和数值仿真研究退火、固溶和T6热处理对波纹管轴向压缩下耐撞性的影响。研究结果表明:265℃退火热处理后,波纹管在静压下出现裂纹失效,与未热处理相比,AlSi10Mg合金试样经T6热处理后伸长率由4.7%提升至13.8%,拉伸强度由413.2 MPa降低至135.3 MPa。波纹管压溃力波动范围随伸长率增加而减小。经265℃、2 h退火处理后,波纹管峰值力达到最大为7.11 kN,压溃力波动幅值最大,压溃力效率为65.9%。经T6热处理后,波纹管峰值力降到最小,为4.75 kN,压溃力波动为所有波纹管中最小,吸能量最少,为279.12 J。与T6热处理相比,经295℃、3 h退火热处理后,波纹管平均压溃力达到5.09 kN,提升了16%,吸能量达到最大,为341.24 J,提升了18.5%。为了提升SLM打印的波纹管耐撞击性能,热处理工艺需要在保证伸长率的同时尽量提高材料强度。

仿枪虾虾螯纵向混合负泊松比结构设计与耐撞性研究

为提高汽车安全防护结构耐撞性,以枪虾虾螯(大螯)作为仿生原型,通过生物实验提取虾螯微观结构,设计了24种仿生混合负泊松比吸能结构。以质量比吸能(SEA)、结构平均压溃效率(CFE)、初始峰值载荷(IPF)作为评价结构耐撞性的主要指标,借助经过验证的有限元模型对设计结构仿真模拟,经过结果数据分析确定影响结构耐撞性指标的关键参数a(胞元内凹深度),结合实际工况利用加权组合综合评价方法选出最优耐撞性结构。结果显示,当a=6.80 mm时的BCDA型混合结构耐撞性能最优,优化后SEA=3.21 kJ/kg,IPF=8.58 kN,CFE=31.29%。与单一胞元结构相比,优化后混合模型IPF最高降低35.24%,SEA最高提升35.72%,CFE有所下降,最多降低47.20%。

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。

楔形物作用下加筋板结构的耐撞性

为了预报楔形物偏心垂向准静态压载作用下船舶加筋板结构的抵抗能力,提出了新的简化解析方法,将矩形板的塑性变形区域划分为非对称的8个板块,将骨材划分为非对称的2个部分,矩形板、骨材各部分均采用直线的变形模式,从船舶碰撞内部动力学的角度,基于刚塑性理论,考虑膜拉伸作用和弯曲作用,推导了矩形板、骨材在楔形物偏心垂向作用下发生变形损伤的抵抗力与横向变形之间的简化解析计算方法.利用非线性有限元软件Abaqus的仿真计算结果对该简化解析方法进行验证.结果表明,该简化解析方法具有较高的计算精度,从而可用于船体结构设计阶段快速预报船舶舷侧结构的耐撞性能.

具有3D负泊松比结构填充的新型吸能盒设计与耐撞性研究

针对现有吸能盒结构形式单一、缓冲吸能效果有限的问题,在现有研究的基础上,将3D负泊松比结构填充到薄壁圆管中设计一种填充圆管型吸能盒,探索汽车吸能盒结构的新构型设计,改善吸能盒的缓冲吸能性能。首先,建立了3D负泊松比结构填充方管和圆管型吸能盒的几何模型,利用落锤冲击实验对3D打印加工的吸能盒样件进行了低速冲击,并建立了结构的低速冲击有限元模型,研究结果表明,结构的落锤实验结果与低速冲击仿真结果吻合较好,证明了结构低速冲击有限元模型的准确性;随后,基于有限元模型,对比分析了填充型方管、填充型圆管和原始方管吸能盒的耐撞性能,研究发现,相较于原始方管吸能盒和填充方管型吸能盒,填充圆管型吸能盒具有更低的初始峰值力、更高的平均碰撞力,综合耐撞性能更优异;最后,结合响应面方法和NSGA-Ⅱ算法,对填充圆管型吸能盒的耐撞性进行多目标优化,优化结果表明,优化后吸能盒的比吸能提高了14.7%,初始峰值应力降低了18.5%,综合耐撞性能得到了明显改善。该研究为负泊松比结构在汽车吸能盒上的应用探索提供了新的思路。

基于Voronoi算法的一种新型多孔夹层结构参数优化和耐撞性研究

提高防撞缓冲车(Truck Mounted Attenuators,TMAs)耐撞性成为道路安全防护的重要途径,借助Voronoi算法生成了一种新型多孔结构。首先,通过研究该结构的种子点数n、孔隙率ρ和不规则度α对结构几何拓扑影响关系,建立了材料比吸能与三个参数之间的数学模型。然后,借助有限元方法分析了新结构的能量吸收,证实了该数学模型的可靠性,利用正交试验确定最优结构参数。最后,将新型多孔结构作为夹层填充到TMAs防撞缓冲车中,探究了正碰、侧碰和斜碰三种工况下车辆耐撞性。研究发现,新型多孔结构能够有效降低峰值碰撞力,能量吸收性能远远超过传统TMAs和圆筒夹层TMAs,能够有效保护被撞车辆和驾驶人员安全。

通过嵌合管来增强负Poisson比结构的耐撞性能

为了提高结构耐撞性,从而实现车辆轻量化,提出了一种嵌合管(由薄壁方形管嵌入双箭头格子而组成的)具有负Poisson比的增强型结构。通过负Poisson比的收缩效应,来增强负Poisson比结构和嵌合管的耦合作用。建立了增强型结构的有限元模型,并通过压缩试验,来验证其准确性;通过数值方法,在轴向载荷下,比较双箭头点阵结构、结构填充管和嵌合管负Poisson比增强型结构的耐撞性能,并进行了参数分析。结果表明:与双箭头点阵结构和填充管结构相比,增强型结构的总吸收能量为1.12 MJ,提升了约40%;比吸能13.2 kJ/kg,提升了约30%;短梁的夹角70°、长梁的夹角40°、长梁厚度1.4~1.6 mm、短梁厚度1.2 mm的结构填充管结构,具有较大的比吸能和较小的碰撞峰值力;增加嵌管厚度显著提升耐撞性能,但结构质量急剧增加,嵌管厚度达到1.2 mm左右时,兼顾耐撞性和轻量化的需求。

电力机车底架前端结构耐撞性拓扑优化研究

为提高电力机车碰撞安全性,文章以某型电力机车车体为研究对象,对底架前端部位开展耐撞性动态拓扑优化研究。首先,建立电力机车有限元模型,通过基于混合元胞自动机法的动态拓扑优化分析得到底架能量流动的主要路径;然后,结合电力机车车体结构特点,对底架前端结构进行优化设计与铝蜂窝吸能材料填充;最后,将优化前后的有限元模型进行碰撞仿真计算对比。研究结果表明:优化后的车体碰撞峰值加速度为402.56 m/s^(2),较优化前的车体碰撞峰值加速度663.04 m/s^(2)降低了39.29%,优化后碰撞峰值界面力比优化前降低35.71%,验证了机车耐撞性结构拓扑优化设计的合理性与有效性,提升了该型机车的耐撞性能。

一种新的内翻管理论模型及其耐撞性研究

圆管圆角模具内翻作为金属薄壁管的一种变形模式有着良好的吸能特性.现有关于内翻模式的理论模型均假设变形区曲率恒定且很少有关于翻转全过程翻转力的研究.通过试验测试和有限元模拟对6063铝管的内翻过程进行了研究,并结合外翻模式变形特点详细探讨了内翻模式的变形特点.根据试验和有限元结果提出了一种新的描述内翻模式的理论模型,该理论模型在同时考虑了变形区曲率变化和管壁增厚的基础上,对内翻全过程的翻转力也进行了预测,进而可以得到内翻模式总吸能和比吸能的理论结果.通过与前人理论结果和试验结果的对比得到,文章理论结果更吻合试验和有限元结果.最后,根据验证后的理论模型对内翻模式的耐撞性进行了分析讨论,结果表明:存在最优模具半径使得内翻稳态力、总吸能和比吸能最小;增大圆管壁厚可显著提高内翻模式吸能特性;增大圆管半径能提高内翻稳态力和总吸能,但会降低比吸能.新的内翻理论模型为描述内翻变形模式和内翻管作为吸能元件提供了理论依据.

多胞铝合金薄壁管耐撞性分析与区间优化设计

铝合金多胞薄壁管轴向压缩在能量吸收方面比普通方形管具有更优的力学性能,在汽车、航空、军事装备以及其他产业应用前景非常广泛。为研究挤压型材6061-T6铝合金材料各向异性特征,在板材上分别沿挤压方向0°、45°、90°取样进行单轴拉伸力学特性试验,获取相应的应力-应变曲线和各向异性特征参数,基于各向异性硬化行为的屈服准则建立材料本构模型。设计口字、日字、目字等构型截面并对管件进行准静态压溃试验,通过对比分析变形-压溃力曲线表明目字型多胞铝合金薄壁结构具有更加优越的耐撞性能。为进一步获得目字型薄壁管最优设计参数,考虑泊松比、弹性模量等材料参数波动对结构耐撞性能产生不确定性影响,建立多胞铝合金薄壁管耐撞性区间不确定性优化模型,采用区间可能度方法将其转化为确定性问题,结合人工神经网络(artificial neural networks,ANNs)模型与交错投影寻踪遗传算法(intergeneration projection genetic algorithm,IP-GA)方法对该问题进行双层嵌套优化,分析不同可能度水平对不确定性优化结果的影响,为不同可靠性优化设计的选择提供指导性意见。

仿生层级薄壁方管耐撞性数值分析及优化

为提高传统薄壁方管的吸能效率,受甲虫翅鞘微观小梁结构启发,提出了一种仿生层级薄壁方管(Bionic Hierarchical thin-walled Square Tube,BHST)。基于超折叠单元理论,建立了BHST平均压溃力理论模型。通过非线性有限元法分析BHST与传统多胞薄壁方管轴向吸能特性,研究了结构参数对BHST4-2结构耐撞性的影响。结果表明,理论预测与数值模拟结果吻合,相对误差均在7%以内。BHST具有优异的耐撞性。与二阶方管边长相比,壁厚对BHST4-2结构的耐撞性影响更显著。采用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)模型和遗传算法对BHST4-2结构进行了多目标优化,得到了结构最优参数。研究结果为设计具有优异吸能特性的薄壁方管提供了新思路。

负泊松比夹层结构耐撞性仿真研究

负泊松比材料由于其独特的拉胀特性,被广泛应用于抗冲击性能较高的耐撞防护结构中。本文旨在提升防护结构的耐撞性,基于内凹六边形负泊松比材料设计了一种负泊松比夹层结构,并采用有限元软件Ls-dyna对其耐撞性能进行仿真研究。通过对比不同载荷工况下负泊松比夹层结构的耐撞性,分析载荷形状与碰撞角度等对结构耐撞性能的影响。研究结果表明,负泊松比夹层结构的吸能过程主要通过胞元变形来实现,且参与变形的胞元越多,其耐撞性越好。本文为船舶耐撞防护结构设计提供了新的思路和方法,具有实际应用前景。

基于某特殊铁路标准的电力机车耐撞性设计方法

为了保证电力机车被动安全的普遍适用性,基于某特殊铁路标准,以某型电力机车车体为研究对象,开展了电力机车耐撞性设计方法研究。首先,在分析研究相关机车耐撞性标准的基础上,确定了符合特殊标准的碰撞工况;然后,开展了基于碰撞能量管理的电力机车车钩缓冲装置能量配置研究;最后,在建立电力机车碰撞动力学与有限元模型的基础上,对比分析了典型工况下基于碰撞能量管理设计前后机车的耐撞性指标。结果表明:碰撞后的车体自身平均加速度、车厢纵向永久变形量和门窗对角永久变形量等各项耐碰撞性能指标均能满足相关要求,验证了机车碰撞能量管理设计的合理性与有效性,提升了该型机车的耐撞性能。

仿生树状分形薄壁结构的耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性,受树枝生长规律的启发,设计了两类树状分形的薄壁多胞结构。根据简化的超折叠单元理论,针对轴向压缩工况,建立仿生薄壁管的平均冲击力理论模型,采用有限元数值模拟技术,研究分形结构对薄壁结构耐撞性的影响。结果表明:理论模型可以有效地预测仿生薄壁管的平均冲击力,树状分形设计能够促进薄壁结构的变形稳定,高阶仿生薄壁管在比吸能、载荷效率等方面优于单胞方管,且随着分形阶数的增加,仿生管的能量吸收能力和变形稳定性进一步提升。

基于2024版C-NCAP FRB工况的某乘用车平台车型结构耐撞性优化

正面100%重叠刚性壁障(FRB)工况是考核整车被动安全性能的重要测试之一。针对2024版C-NCAP中的FRB工况,对某乘用车平台的两款不同车型开展结构耐撞性研究。通过分析Base状态的变形模式、加速度响应曲线及结构入侵指标等结果,给出了耐撞性优化方向。从区分设计前端吸能盒、规划能量吸收与传递路径、引导结构产生理想变形模式3个方面,提出了具体的优化方案。结果表明:优化后PHEV和ICE车型的有效加速度均明显降低,结构侵入值未见超标,能够较好地满足2024版C-NCAP五星评价要求。

新能源汽车前防撞梁结构优化仿真与耐撞性提升研究

对某款新能源汽车前防撞梁进行50 km/h车速正面碰撞仿真试验,确定前防撞梁的结构薄弱点,发现前防撞梁产生较严重的变形,吸能特性差,且未最大程度地发挥吸能盒的作用,吸能盒压缩距离超过与后方安全部件之间的最小距离,造成后方部件不同程度的损伤。为提高新能源汽车安全性,对前防撞梁进行结构优化,提高其耐撞性能。研究表明:结构优化完成后前防撞梁的碰撞力峰值降低了12.52%,比吸能提高了17.76%,吸能量提高了12.85%,同时质量降低了4.17%。这为新能源汽车前防撞梁的耐撞性及轻量化研究提供了一种新的视角。

波纹方管吸能盒的耐撞性分析与参数优化

为提升汽车吸能盒在轴向冲击下的耐撞性,首先在传统方管吸能盒中引入波纹结构设计了3种波纹方管吸能盒,以传统方管吸能盒与波纹方管吸能盒的耐撞性分析来获得结构参数对波纹方管吸能盒吸能性能的影响规律。然后选取全边波纹方管吸能盒的波纹幅值、数量、厚度和材料为设计变量,以最大化比吸能、最小化峰值压溃力为优化目标,进行多目标优化。结果表明,优化后的全边波纹方管吸能盒较传统方管吸能盒的比吸能上升168.1%,峰值压溃力下降85.5%,优化效果显著。

基于仿真技术的车辆前纵梁耐撞性多目标结构优化分析

汽车前纵梁是车辆正面碰撞中最关键的支撑及吸能部件。该文以某SUV的前纵梁为研究对象,建立整车碰撞模型,根据薄壁梁特性建立简化的前纵梁碰撞模型,对前纵梁耐撞性进行多目标优化。以仿真试验结果为参考依据,选取前纵梁厚度、诱导槽位置、诱导槽深度为正交试验因素,设计L9(34)正交试验表,以纵梁载荷峰值、最大吸能量为优化目标,通过矩阵分析法,计算各因素及水平对优化目标的权重系数,得到最优结果。结果显示,所设计模型较原模型的整车耐撞性得到进一步提高。

自相似嵌套金属多胞管耐撞性研究

层级多胞结构具有良好的吸能特性,可以广泛应用于汽车、飞机等交通工具的能量吸收装置中。创新性地设计了两种类型的自相似嵌套金属多胞管,通过数值仿真对其轴向冲击下的耐撞性能开展了系统的研究。结果表明,无论是相同质量还是相同壁厚,高阶多胞管相比低阶多胞管都具有更好的能量吸收能力。相同质量情况下,高阶多胞管的比能量吸收最高提升了36.45%,冲击力效率最高提升了35.42%;相同壁厚情况下,高阶多胞管的比能量吸收和冲击力效率最大分别增加了80.40%、59.64%。研究表明,所提出的自相似嵌套金属多胞管相比传统多胞管的耐撞性能具有明显改善。最后,系统地开展了阶数、壁厚等结构参数对自相似嵌套金属多胞管耐撞性能的参数化研究。