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。

铝合金薄壁方管轴向冲击变形及断裂行为研究

对6016铝合金进行单向拉伸试验,分析不同应变速率对铝合金力学性能的影响,建立了6016铝合金Johnson-Cook本构模型及其断裂应变模型,并对铝合金薄壁方管轴向冲击载荷下的吸能特性进行分析,研究铝合金方管的壁厚、长度和冲击速度对其吸能特性的综合影响。结果表明,铝合金流动应力对应变率敏感性较低,但断裂应变对应变率具有一定的敏感性。在轴向冲击载荷下,铝合金薄壁方管出现渐进屈曲变形,具有较好的吸能特性。但随着厚度、长度和冲击速度的增加,铝合金方管容易出现混合变形模式,吸能特性有所降低。

薄壁方管结构在爆炸荷载作用下动力响应及破坏模式分析

采用数值模拟与实验相结合的方法研究了薄壁方管结构在爆炸荷载作用下的动力响应。将壁厚3 mm、截面边长为100 mm的薄壁方管结构置于200 g TNT产生的爆炸场中进行冲击实验,实验表明当装药距离大于等于14 cm时,结构仅呈现局部凹陷变形,当装药距离为10 cm和12 cm时,结构除局部凹陷变形外,还呈现出整体变形模式,同时,方管迎爆面两侧边产生长条状破裂损伤。利用动力有限元程序LS-DYNA及流固耦合算法对薄壁方管变形及破坏过程进行数值模拟,得到了结构关键单元处压力分布、挠度时间曲线等参数。同时分析了结构宽厚比对试件动力响应的影响,结果表明迎爆面变形量随着宽厚比的减小而减小。

6063铝合金薄壁方管耐轴向撞击性能研究

针对汽车用铝合金构件的安全设计要求,采用关键试验加有限元仿真技术,对6063铝合金薄壁方管轴向耐撞击性能进行了研究.通过轴向静态压缩和落锤冲击试验,获得了该薄壁试件静态和冲击载荷下的力学行为规律.同时应用有限元模型对不同结构尺寸的试件进行了不同速度下的冲击仿真分析,给出了试件变形和载荷预测.研究结果表明,6063铝合金薄壁试件具有良好的吸能性,试件的耐撞性和材料组织、加载速度及结构几何尺寸有密切关系.降低冲击速度、减小构件长细比以及增大壁厚,有利于改善试件屈曲过程的稳定性.作为汽车用缓冲吸能结构,该类薄壁铝合金试件的长细比不宜大于12,壁厚取2 mm,长度在310 mm左右为结构最优.

PLC及触摸屏控制系统在薄壁方管焊接中的设计和应用

采用路径示教、记忆跟踪、参数控制等技术,建立了方管密排焊的TIG自动焊PLC控制系统;介绍了PLC及触摸屏组成的控制系统工作原理、系统构成和软件设计。该系统能根据间隙变化使电流线性调节,并用电弧静特性来匹配电流电压关系,从而获得了稳定的电弧长度,避免了因电流电压特性处于下降段,当电流随间隙减小而减小,工件却向上挠曲,造成钨极扎进焊缝的现象。实验表明,该系统不仅能使焊接生产顺利进行,而且得到均匀一致的焊缝宽度。

一种基于内充泡沫塑料薄壁方管的单壳舷侧耐撞结构

目前的船舶耐撞研究主要集中于双层舷侧结构 ,并已提出了一些有意义的耐撞性设计。军用船舶一般为单壳舷侧结构 ,这方面的耐撞结构研究开展得很少。本文针对军船 ,在研究常规舷侧结构碰撞性能的基础上 ,提出了一种基于内充泡沫塑料薄壁方管的单壳舷侧耐撞结构—— FCT(Foam Cubie Tube)舷侧结构 ,它具有良好的吸能特性 ,是一种理想的能量吸收单元。作者对某型护卫舰的常规舷侧结构形式进行 FCT耐撞设计 ,并对常规舷侧结构、IFP舷侧结构 (另一种新式耐撞结构 )及 FCT舷侧结构进行了有限元仿真计算。经过比较研究 ,证明

铝合金薄壁方管在轴向载荷作用下力学行为研究

采用常规的实验方法获得材料的基本力学性能,如弹性模量、泊松比、流变应力等(为FEM提供数据).在一定的条件下,对薄壁方管进行轴向压缩实验,运用Abaqus6.4对其压缩过程进行模拟.研究结果表明,仿真过程中边界条件的设定对仿真结果的影响最大,网格疏密会影响到计算精度,但对最终的结果影响不大.通过比较仿真和实物实验的结果,验证了模型建立的可靠性,并改进和优化了实物实验模型.

基于Deform的镁合金薄壁方管挤压模具设计与改进

在挤压镁合金薄壁方管过程中,会出现管壁凹陷。采用Deform有限元软件对其挤压过程进行稳态模拟,分析管壁凹陷产生的原因。结果表明,方管出口位置流速的分布不均匀,通过增加方管中心加强筋位置出口尺寸,增加此处流速,使得金属流速更为均匀,从而有效解决了挤压过程中金属流速不均匀的问题,改进后的模具模拟结果符合实际挤压要求。

棱边强化薄壁方管轴向压溃吸能特性

采用Hypermesh 9.0和Lsdyna 971数值仿真分析了棱边强化对薄壁方管轴向压溃过程能量吸收机理的影响。基于单个方管折叠单元能量平衡方程,采用分项能量修正法和影响因子归一化建立了棱边强化薄壁方管轴向压溃能量平衡方程。理论推导出棱边强化方管平均压溃力预测公式和吸能增幅表达式,其中,平均压溃力的仿真结果与预测公式计算结果吻合较好。Q235方管压溃试验结果表明,棱边强化方管平均压溃力公式也可用于预测原始方管,且效果更好。吸能对比表明:棱边强化后,棱边与平板的塑性变形在轴向压溃过程中存在强耦合关系,两部分的吸能均有提升。对于截面为56.36mm×56.36mm、厚度为1.0mm的薄壁方管,棱边约强化4倍,4条棱边仅占薄壁方管截面9.09%,理论上可使方管总体吸能量提升近30%,可见棱边强化能显著提升薄壁方管轴向压溃吸能水平。

薄壁方管激光弯曲过程的模拟研究

薄壁方管激光弯曲是一种利用激光加热来实现构件的柔性成形技术。研究了薄壁方管激光弯曲有限元模拟中的型处理、单元技术、边界条件、动热源构建、材料热吸收系数的选择、边界条件与初始条件等关键技术的处理,实现了薄壁方管激光弯曲过程的有限元模拟,分析了其变形机理。

轴向冲击载荷下薄壁方管的动力屈曲分析

为探索轴向冲击载荷作用下薄壁方管的动力屈曲特性,采用屈曲分析的有限元基本理论,利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对轴向冲击载荷下薄壁方管进行动力屈曲分析。ANSYS/LS-DYNA的薄壁方管动力屈曲有限元分析分为前处理、求解和后处理。前处理设置包括单元属性、构建模型、划分网格、定义接触、初始条件、载荷及约束、求解时间和输出文件等。用LS- DYNA修改前处理输出文件,进行递交运算。再用LS-REPOST刷新速度、查看结果、动画模拟过程。结果表明:利用ANSYS/LS- DYNA对轴向冲击载荷作用下薄壁方管的动力屈曲特性进行分析可以代替真实实验,节省成本。

翻边开孔对薄壁方管动力性能的影响

工程中采用冲压开孔的方法在结构上产生开孔时可在孔边形成一定高度的翻边。考虑两种不同的翻边开孔形状:圆孔和类似跑道形状的孔,利用ANSYS软件数值分析不同开孔尺寸、开孔数量及翻边高度参数对两端固支薄壁方管前两阶固有频率的影响。研究发现不同的翻边开孔参数对薄壁方管的固有频率影响较大,研究结果可为薄壁结构翻边开孔设计提供一定参考。

诱导结构对泡沫铝填充薄壁方管轴向压溃特性影响的研究

建立了泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型,利用试验对泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型的准确性进行了验证。研究了诱导结构的类型和数量对泡沫铝填充薄壁方管的轴向压溃变形模式、初始峰值力、压溃力效率和能量吸收能力的影响,结果表明:设计诱导结构可以提高能量吸收能力、减小初始峰值力、增加压溃力效率,甚至可以改变压溃变形模式。沿薄壁方管的轴向方向合理地增加诱导结构的数量,可以进一步的减小初始峰值力、增加压溃力效率、提高结构的能量吸收能力。通过等级评价方法,确定沿薄壁方管的轴向方向设计4组诱导四角方孔可以使泡沫铝填充薄壁方管获得最佳的综合吸能特性。

棱边强化薄壁方管静动态轴压理论和仿真研究

本文旨在对棱边强化薄壁方管的静动态轴向压溃进行研究。首先分析了方管静态平均压溃力公式中的能量等效流动应力选取方法及其对理论预测结果的影响,之后结合Cowper-Symonds经验公式,导出了动态平均压溃力公式。同时基于Hypermesh 9.0建立了440A原始和棱边强化薄壁方管静动态轴向压溃有限元模型,仿真再现了塑性变形过程和压溃力波动状况,仿真值与理论值吻合得较好,最大偏差不超过4.0%。最后,制作若干个棱边塑性应变强化的35钢方管,进行压溃试验,验证了静态轴向压溃理论的有效性,理论值与试验值之间偏差仅为7.1%。本研究为棱边强化薄壁部件的强度设计及其在车身结构中的应用提供了参考。

基于iSIGHT的薄壁方管抗撞性尺寸优化

针对薄壁方管的抗撞性尺寸优化问题,利用多学科设计优化软件iSIGHT集成Hy-perMesh和ANSYS/LS-DYNA,建立优化设计仿真流程及平台,运用拉丁方方法进行DOE分析与优化设计研究.在此基础上,建立Kriging近似模型,以比吸能最优为优化目标,采用多岛遗传算法对建立的近似模型进行优化,并在优化的过程中生成新的设计点更新近似模型,提高模型精度.优化计算过程表明,上述方法提高了优化设计的效率,最终优化结果不仅满足结构吸能的要求,也满足轻量化的要求.

薄壁方管在冲击载荷下的应变及应变率特性

在汽车碰撞模拟过程中,材料的应变率效应已经得到越来越多地关注和应用,要求更全面地认识材料应变率效应对模拟结果的影响情况。本文选择具有应变率效应的材料以及薄壁方形管件为研究对象,通过模拟分析验证了材料应变率效应的引入对计算结果的影响,同时分析了冲击载荷下的方管典型区域的有效塑性应变及塑性应变率分布情况。

重复爆炸载荷作用下薄壁方管动力响应研究

薄壁方管作为一种典型工程构件,在建筑、海洋、航天等领域应用广泛,其结构面临遭受重复爆炸的风险,开展薄壁方管在重复爆炸载荷作用下的动力响应研究具有重要现实意义。采用实验与数值模拟相结合的方法,对比分析了薄壁方管在单次和重复爆炸载荷作用下的动力响应。将壁厚4mm、横截面边长100mm的薄壁方管置于爆炸场中进行冲击实验,并利用非线性动力有限元程序LS-DYNA完全重启动功能及流体与固体耦合算法,对薄壁方管在单次爆炸和重复爆炸载荷下的非线性动力响应过程进行三维数值模拟;描述了方管在不同爆炸次数下的动力响应及损伤变形,给出了一种通过损伤因子反映爆炸载荷作用后材料损伤劣化的数值计算方法。研究结果表明:方管在重复爆炸作用下的变形会产生损伤积累;相同爆炸载荷作用下已变形损伤的方管相对无损方管其有效应变增量更大,在迎爆点周围区域、侧边以及塑性铰位置,前者有效应变增量达到了后者的2.47~3.88倍,容易引起方管更严重的毁伤;两侧边是方管较脆弱的区域,极易因应力集中产生较大的塑性应变,需要特别加强防护。

薄壁方管轴向压溃的相似性研究

薄壁方管由于其几何特性导致相似性研究中,厚度无法与长度、宽度按照同一比例进行结构缩放,从而产生几何畸变,造成传统的相似律失效。为了解决这一问题,基于轴压冲击问题的响应方程、能量守恒方程,采用方程分析和量纲分析,推导了受轴压冲击作用下理想弹塑性薄壁方管几何畸变时动态响应的相似律。讨论了缩比模型与原型选取同种和不同种材料时的速度比例因子,并在理想弹塑性材料的基础上进一步修正了考虑应变率、应变硬化效应时的速度比例因子。建立有限元模型验证了畸变模型相似律的有效性。结果表明,缩比模型在采用提出的受轴压冲击薄壁方管的相似律进行缩放后,能够准确预测原型的载荷、能量等动态响应,相似性较好。

小截面薄壁方管并行焊接温度场及变形的数值模拟

小截面薄壁方管在焊接过程中变形严重,且与胎具之间的传热情况复杂,所以采用传统的单向顺序耦合方法计算的温度场误差较大。对此,文中建立了考虑接触热传导的小截面薄壁方管并行焊接的直接耦合分析模型。通过与实测结果比较,模拟得到的温度场与实测结果有较好的吻合,表明该模型能准确的反映方管与胎具间的传热过程,证明了模型的可靠性和正确性,为自动化焊接各项参数的合理选择和优化提供了有效的参考依据。

在冲模上实现薄壁方管弯曲成U形的方法

介绍了薄壁方管在冲床上通过模具实现弯曲成U型的方法，相对于利用弯管机进行弯曲加工。此法减少了装夹次数，避免了基准面的更换，无需校正，一次装夹中完成加工，保证了产品的质量和加工精度，极大的提高了生产的效率，降低了生产成本。