拼焊型超折叠单元模型的建立

薄壁拼焊管是一种新型缓冲吸能元件,目前尚没有可遵循的设计准则及方法。文章建立了分析薄壁拼焊管轴压变形的拼焊型超折叠单元理论模型,推导了基于理想刚塑性和幂指数硬化本构关系,发生非对称或对称折叠变形时平均压垮载荷和折叠波长的计算公式。通过试验和数值模拟分析,验证了采用该理论模型分析薄壁管轴压变形特性的可行性,为拼焊型缓冲吸能管结构的轴压吸能性设计奠定了理论基础。

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。

异材异厚帽型梁结构轴向压溃理论研究

在车身耐撞性设计中,前纵梁等吸能部件广泛采用异材、异厚的帽型梁结构,而传统理论方法很难对其轴向压溃力进行准确预测。针对传统方法存在的不足,以超折叠单元(Superfolding Element,SE)理论为基础,提出通用帽型梁结构轴向压溃理论,可准确预测异材、异厚单帽及双帽薄壁梁结构的平均压溃力,并通过试验及仿真手段验证了该理论的准确性。

新型仿生蜂窝结构的设计与耐撞性能分析

受自然界毛竹微观结构的启发,在传统圆管与六边形管的基础上引入内管及双菱形肋骨,通过拓扑衍生方法设计了两种新型仿生蜂窝结构。在此基础上利用有限元软件ABAQUS对新型仿生蜂窝的耐撞性进行数值模拟,研究了蜂窝单胞构型、蜂窝壁厚、双菱形肋骨夹角对仿生蜂窝耐撞性能的影响。此外,基于超折叠单元理论,建立了仿生蜂窝结构的理论分析模型。结果表明:仿生蜂窝的面外压缩耐撞性能优于传统圆形蜂窝和传统六边形蜂窝。新型仿生六边形蜂窝的比吸能相比传统六边形蜂窝提高51.18%,压缩力效率提高53.14%。仿生蜂窝结构的平均压缩力理论预测结果与数值模拟结果吻合,两者间的误差均在10%以内。单胞构型为六边形的仿生蜂窝的耐撞性能优于圆形仿生蜂窝。适当增加仿生蜂窝壁厚或增大双菱形肋骨夹角,均有利于提高结构的耐撞性能。

铝合金矩形薄壁梁压溃实验及理论与数值分析

平均压溃力反映乘用车纵梁在碰撞过程中吸收能量的能力,而矩形薄壁梁具有较高的溃缩吸能比,被广泛应用于纵梁的结构设计。本文通过轴向压溃实验研究了矩形薄壁梁的压溃性能,采用非对称超折叠单元理论对矩形薄壁梁平均压溃力进行公式推导,之后对矩形薄壁梁进行有限元压溃数值模拟,得到矩形薄壁梁平均压溃力的实验值、理论值及模拟值。通过对结果的比较可以得出,平均压溃力的理论结果和数值计算结果均与实验测得的结果吻合,这为矩形薄壁梁前期的结构设计提供了有效的理论指导。

形内自相似层级类蜂窝面外冲击特性研究

为提高传统六边形蜂窝结构的抗冲击特性,基于仿生学原理,考虑层级因子的影响,在六边形蜂窝基础上提出了一种形内自相似层级类蜂窝结构。以比吸能(SEA)、初始峰值力(PCF)、载荷效率(CFE)为冲击特性评价指标,根据简化的超折叠单元理论建立一种理论模型,对类蜂窝结构的冲击特性指标进行预测,在此理论模型基础上,研究了胞元壁厚t、胞壁长度l以及胞元数目n对类蜂窝结构面外冲击平均压缩反力和比吸能的影响。结果表明,在等相对密度条件下,比吸能及载荷效率随着层级的升高而提升,其中,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升21%和40%,比吸能分别提升11%和28%;在等壁厚条件下,随着层级的提升,初始峰值力明显提高,但是比吸能及载荷效率的提升更为显著,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升77%和115%,比吸能分别提升72%和116%。所提理论模型能有效预测类蜂窝结构能量吸收性能参数,可为蜂窝结构冲击动力学研究提供理论参考。

窗型多壁结构的耐撞性研究

具有高效吸能特性的薄壁结构已被广泛应用于各种运载工具中,但传统单壁结构存在易陷入全局弯曲的不稳定吸能模式。因此,提出一种窗型多壁结构,并采用试验测试、仿真分析与理论预测相结合的方法,详细研究了窗型多壁结构、均匀方形多胞结构与方形三壁结构在轴向载荷作用下的吸能特性。研究结果表明:窗型多壁结构比同质量的另外两种结构具有更高的吸能效率。同时,窗型多壁结构的几何参数(壁厚T、内层壁边长D,壁间距比N)对结构的耐撞性能有显著影响。并且,基于超折叠单元理论开发了窗型多壁结构的理论模型,该模型能较好的预测窗型多壁结构的平均碰撞力与吸能特性,并采用数值分析结果与理论预测结果的对比来验证了理论预测模型的可靠性。研究结果对开发新颖的轻量化薄壁吸能结构提供了良好的指导与理论支撑。