低速冲击载荷下CFRP-Al多胞薄壁管的耐撞性

为了研究低速冲击载荷下碳纤维复合材料-铝(CFRP-Al)多胞薄壁管的吸能特性,进行了单胞混合管的落锤冲击实验及有限元可靠性验证,提出了多胞混合管的模型设计方案。探讨了肋板数目、CFRP缠绕角度、胞元壁厚和CFRP层数对多胞混合管轴向抗冲击性能的影响规律。结果表明,加入肋板结构后,多胞混合管的最大压溃距离较单胞混合管下降了44.2%,抗变形能力明显提高。缠绕角度为[60°/-60°/90°]的多胞混合管表现出最佳的综合耐撞性能。当CFRP与Al管厚度比t C∶t Al为3∶4~9∶4时,比值越大,抗变形能力越强,比值越小,吸能性越好。运用灰色关联方法计算了不同权重方案下的灰色关联度,对各多胞混合管的综合耐撞性进行了排序及评价。评价结果表明,肋板数目越多,胞元壁厚越小,多胞混合管的耐撞性越好。

正六边形分形多胞薄壁管设计及多工况耐撞性分析

基于分形理论,提出了一种新型的正六边形分形多胞薄壁管结构,并利用简化的超折叠单元理论及本构单元法推导了正六边形分形多胞薄壁管结构的平均碰撞力表达式。通过对比平均碰撞力理论解析解与数值模拟结果,验证了仿真模型的准确性。借助有限元仿真结果,分析比较了正六边形分形多胞薄壁管结构和当前较好的正六边形多胞薄壁管结构在碰撞角度为0°、10°、20°和30°的多工况下的耐撞性。结果表明:随着碰撞角度的增加,结构的变形模式从渐进折叠屈曲变为整体弯曲变形,吸能效果逐渐减弱。在同等质量下,正六边形分形多胞薄壁管结构吸能效果在各碰撞角度下较当前较好的正六边形多胞结构分别提升了11.81%、5.14%、2.05%和9.60%,证明了基于分形理论设计的薄壁管结构具有较好的耐撞性。

正八边形多胞薄壁管吸能特性仿真和优化

基于正八边形多胞薄壁管相比其他截面形状薄壁管具有结构紧凑、比吸能高等特点,采用有限元软件Abaqus研究了其在准静态轴向压缩下的吸能特性,分析了不同截面形状和结构参数对吸能特性的影响.根据吸能特性指标,运用非支配遗传算法对正八边形多胞管边对边(S2S)结构进行了优化.结果表明,正八边形多胞管的边对边布置形式的吸能效果优于角对角布置形式,其S2S结构吸能特性最优.结构参数对其吸能特性影响明显,经优化后的S2S结构比吸能提高了33.11%,最大压溃力降低了3.78%,具有较好的吸能特性.

轴向冲击下方形多胞薄壁管的耐撞性研究

研究了在准静态轴向冲击下的异构混合多胞薄壁结构的耐撞性能,旨在提升薄壁结构的能量吸收能力,增强车身的耐撞性能。通过有限元仿真和数值模拟的对比分析对方形异构混合多胞薄壁管截面的组合方式进行寻优,经优化后得到的多胞薄壁管的耐撞性能得到明显提升。

仿生多胞薄壁管耐撞性分析及优化

为提高薄壁管结构耐撞性,以雀尾螳螂虾螯为仿生原型,结合仿生学设计方法,设计一种含正弦胞元的多胞薄壁管结构。以初始峰值载荷、比吸能和碰撞力效率为耐撞性指标,通过有限元数值模拟分析了不同碰撞角度(0°、10°、20°和30°)条件下,仿生胞元数对薄壁管耐撞性的影响,通过多目标的复杂比例评估法获取仿生薄壁管的最优胞元数。基于不同碰撞角度权重因子组合,设置了4种单一角度工况和3种多角度工况,采用多目标粒子群优化方法获取了不同工况下薄壁管结构最优胞元高宽比和壁厚。复杂比例评估结果表明,胞元数为4的薄壁管为最优晶胞数仿生薄壁管。优化结果表明,单一角度工况下,最优结构参数高宽比的范围为0.88~1.50,壁厚的范围为0.36~0.60 mm,碰撞角度为0°和10°的最优高宽比明显小于碰撞角度为20°和30°的;多角度工况下,最优高宽比范围为1.01~1.10,壁厚范围为0.49~0.57 mm。

星形衍生多胞薄壁管的动态压缩

多胞薄壁管具有成本低、比强度高、吸能效率高等特点,被广泛用作于能量吸收装置。本研究通过实验验证了有限元模型的准确性,研究了截面拓扑、壁厚梯度对星形衍生多胞薄壁管能量吸收的影响。结果表明:多边形基星形衍生薄壁管边数的增加会降低结构的耐撞性与稳定性;同时,二阶五边形基星形衍生薄壁管具有最大的比吸能及平均压缩力;另外,负梯度结构可以在保留结构拓扑和功能的条件下显著提高结构的耐撞性。

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点,在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响,基于正多边形结构,通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构,并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验,利用高速相机记录结构的变形模式,并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明:除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外,其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压,结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出:不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下,内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构;同等质量的情况下,内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。

多胞薄壁铝合金方管载荷特性与多目标优化研究

目的通过引入边长系数γ,得到构型不同的W型和C型多胞薄壁方管结构,改善多胞薄壁方管的吸能效率。方法本文利用实验和数值方法对2种类型方管进行研究,材料选用6060T4铝合金,深入分析边长系数γ和壁厚t对结构的载荷特性、能量吸收及变形模式的影响。然后采用非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA-Ⅱ)求解,针对结构的峰值载荷(Pc)和比吸能(Sa)进行多目标优化。结果数值仿真所得载荷曲线与实验结果一致,折叠波数均为7个,边长系数γ对2类结构的载荷和变形有显著影响。结论本文所得结果为改善多胞薄壁方管结构的缓冲吸能及冲击防护提供了数据支持。

仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的耐撞性能研究

为提高汽车吸能盒结构耐撞性,受毛竹微观结构启发,提出3种不同的仿生双菱形肋边多胞薄壁结构。建立仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的有限元模型,通过有限元仿真对比研究仿生双菱形肋边多胞薄壁结构与传统八边形多胞薄壁结构的耐撞性。分析双菱形肋边布置方式、内层壁厚等因素对新型薄壁结构吸能特性和变形模式的影响。结果表明,与传统八边形多胞薄壁结构相比,仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的吸能特性有了明显的提升;双菱形肋边布置方式和内外层壁厚对结构吸能特性均有一定影响;随着内层壁厚的增加,结构最大峰值力减小,但总能量吸收和比吸能减少,载荷平稳度降低。仿生双菱形肋边多胞薄壁结构能有效降低乘员在汽车正面碰撞中所受的伤害,可应用到新能源汽车吸能盒的设计开发中。

防冲支架立柱多胞薄壁吸能构件能量吸收性能

为提高防冲支架能量吸收性能以应对煤炭资源深部开采趋势下的冲击地压频发问题,提出了一种具有圆形与多边形混合截面的多胞薄壁吸能构件应用于防冲支架立柱。基于简化超折叠单元(Simplified Super Folding Element,SSFE)理论剖析了不同截面形状和肋板布局的多胞薄壁吸能构件能量耗散途径,构建了轴向压溃条件下吸能构件的能量吸收平衡方程,并推导出了等厚度和非等厚度2种吸能构件平均支反力预测公式;通过轴向压溃仿真获得了各类型多胞薄壁吸能构件吸能量曲线、支反力曲线以及屈曲变形形态,发现圆形与八边形混合截面、边延伸肋板布局的多胞薄壁吸能构件(P8-2类型)具备相对吸能优势,深入考察了内嵌管截面尺寸、薄壁管壁厚和肋板厚度对其吸能效果的影响规律,即:3种结构参数对弯曲褶皱形态和塑性铰数量影响显著,对吸能特性参数有着不同且非简单单向变化的影响趋势,同时验证了基于SSFE理论的平均支反力理论模型具有较高预测精度;依托均匀试验数据,拟合出了吸能特性参数关于构件结构参数的回归方程,并利用NSGA-II遗传算法进行优化求解,最终确定多胞薄壁吸能构件内嵌管截面尺寸为122 mm,薄壁管壁厚度为2.6 mm,肋板厚度为2.7 mm;进一步通过轴向压溃仿真验证与对比分析,结果表明:经结构参数优化后的多胞薄壁吸能构件具备更好的能量吸收效果且支反力波动较小,可使让位防冲过程更加可靠,能够为防冲吸能构件设计提供有益参考。

轴向压溃下多胞薄壁结构的吸能特性研究

为了研究截面拓扑构型对薄壁结构吸能效果的影响,设计出耐撞性能较优的结构。首先,在单胞薄壁结构的基础上,通过添加正交肋板得到四胞薄壁结构,并进一步设计出内接方形、圆形、菱形、六边形和八边形的五胞薄壁结构。然后,建立了准静态轴向压溃有限元仿真模型,以总吸能量、比吸能、峰值压溃力、平均压溃力和压溃力效率作为评价多胞薄壁结构耐撞性能的指标,通过有限元仿真试验得出五胞管薄壁结构具有较优的吸能特性。随后,从理论预测的角度出发,研究薄壁结构的基础角单元变形模式,运用简化超折叠单元(SSFE)理论推导出多胞薄壁结构的平均压溃力理论公式,与有限元仿真结果对比显示误差能够控制在±6%以内,具有较好的一致性。最后,以结构壁厚和内接形状的大小作为设计变量,以比吸能和峰值压溃力作为优化目标,采用全因子试验设计方法建立了近似代理模型,运用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对多胞结构进行了多目标优化设计,得到4种结构的Pareto解集。结果表明:针对峰值压溃力要求为20 kN以下的薄壁结构,4种结构相比于单胞薄壁结构的比吸能均增加了50%左右,经多目标优化设计后的多胞薄壁结构耐撞性能得到了明显的提升。

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。

基于理论和数值模拟的薄壁多胞管轴向吸能特性研究

基于简化的超折叠单元理论和基本单元法,提出了一种预测多边形薄壁多胞管平均压溃力的理论模型,并通过数值模拟得到了内部添加肋板的四、六、八边形薄壁多胞管在准静态轴向压缩过程中的变形模式和吸能特性。结果表明:理论预测和数值模拟与以往的实验结果吻合较好。在内部添加肋板可显著提高多边形薄壁管的吸能特性,四、六、八边形管内部添加十字型肋板比添加X型肋板的薄壁多胞管的吸能能力提高更多,比吸能分别提升了68.936%、17.725%和15.297%。正则化平均压溃力与有效压缩距离因子和边厚比有关,且随着边厚比的增大而增大。多胞管的正则化平均压溃力高于对应的单胞管。

表面纳米化吸能薄壁多胞结构的数值模拟与设计

采用局部表面纳米化技术和数值模拟方法,对金属薄壁多胞结构的吸能问题开展有限元数值分析和优化设计。结果显示,局部表面纳米化布局可诱导结构的屈曲变形,并能大幅度提高结构的能量吸收。优化结果还发现,在多胞外壁呈交错矩形格状表面纳米化格局和内附加结构呈均布框架式矩形格状表面纳米化布局情况下,结构屈曲变形稳定且吸能效果最优。该研究为吸能结构的设计提供了依据。

泡沫混凝土填充旋转薄壁多胞方管负泊松比结构面内压缩性能

为改善薄壁金属管件的力学及吸能性能,提出了一种泡沫混凝土填充旋转薄壁多胞方管负泊松比结构(RSTFC)。对薄壁多胞方管(TMST)、旋转薄壁多胞方管(RTMST)和RSTFC试件进行准静态面内压缩试验,研究了3类不同试件的变形模式、载荷-位移曲线和吸能性能。试验结果表明:TMST、RTMST和RSTFC试件均表现为压缩破坏;对比于TMST试件,RTMST试件因发生旋转变形可有效降低载荷峰值,同时吸收更多能量,压溃力效率和能量吸收分别增大了73.2%和33.6%;泡沫混凝土的存在促使铝管在试件旋转过程中发生了一定程度的变形及泡沫混凝土不断压缩变形,因此填充有200 kg/m^(3)泡沫混凝土RSTFC试件的压溃力效率和能量吸收较RTMST试件分别增大了22.5%和8.9%。基于试验验证的数值结果表明:铝管和泡沫混凝土之间承载能力的相互匹配决定了RSTFC试件的力学及吸能性能,可通过调整泡沫混凝土密度、铝管壁厚和泡沫混凝土填充方式等实现对RSTFC试件变形模式、载荷传递与吸能性能的调控。因两个周期性结构试件具有相对更高的比吸能和压溃力效率,建议在实际工程中应用。

斜向载荷下多胞方管结构的压溃特性研究

建立了计算多胞方管能量吸收特性的有限元模型,利用双胞管的轴向压溃变形试验验证有限元模型的准确性。利用建立的有限元模型,研究了在斜向加载下多胞方管结构的压溃特性,结果表明:在大角度的斜向加载下,多胞方管会发生全局弯曲,导致能量吸收能力的显著下降。提出了分层多胞方管结构,在斜向加载下分层多胞方管结构有较大的能量吸收能力和压溃力效率。此外,在大角度的斜向加载下,分层多胞方管可以避免发生全局弯曲。通过复杂比例评价方法,评价了传统方管、多胞方管和分层多胞方管的斜向综合碰撞性能,确定了分层多胞方管L5具有最优的斜向碰撞性能。

新颖变截面多胞薄壁结构的耐撞性研究

为进一步提高多胞薄壁结构在轴向载荷条件下的耐撞性能,提出了一种新颖的变截面多胞薄壁结构,该结构通过将传统均匀多胞结构内胞壁旋转一定的角度而形成,使得同一截面上的各胞元呈现非均匀特性。结合试验与数值有限元分析方法,以最大峰值力和比吸能为耐撞性评价指标,开展不同截面旋转轴位置、旋转角度和薄壁厚度等参数下的变截面多胞与均匀多胞结构的耐撞性对比研究。此外,为进一步探索变截面多胞结构的最优耐撞性,结合Kriging近似模型技术与多目标粒子群方法对变截面多胞结构进行了耐撞性寻优,获得了该结构的Pareto前沿与在不同设计要求下的最优参数匹配。研究结果表明:旋转轴位置、旋转角度和薄壁厚度对变截面多胞薄壁结构的比吸能有显著影响,但旋转轴位置和旋转角度对最大峰值力的影响较小,变截面多胞薄壁结构的比吸能较传统均匀多胞结构提高了约8%;当碰撞最大峰值力限定在180kN范围内时,该结构的最优设计参数壁厚t与旋转角度θ分别为1.52mm和1.85°。