关键词： 功能梯度   变截面   双六边形吸能盒   耐撞性   多目标优化  

摘要： 为协同提升车身耐撞安全性与轻量化水平,设计并提出一种新型功能梯度变截面双六边形吸能盒,提取其下端形状规则子结构——功能梯度变截面双六边形管(functionally-graded variable section double-hexagonal tube,FS-DHT)为对象并进行了参数化几何建模;建立了FS-DHT轴向压溃有限元模型并进行了试验验证;比较研究了FS-DHT与传统双六边形直管(straight DHT,S-DHT)、双六边形锥管(conical DHT,C-DHT)轴向压溃耐撞吸能特性优劣;探究了FS-DHT管壁厚、内/外六边形管上、下端面外接圆半径差及梯度指数对其轴向压溃耐撞吸能特性作用规律;结合最优拉丁超立方采样、响应面代理模型和第二代非支配排序遗传算法对FS-DHT进行了耐撞性多目标优化设计及验证,并进一步建立了“保险杠-吸能盒”总成轴向压溃有限元模型并验证了FS-DHT优化前后对集成其结构的功能梯度变截面双六边形吸能盒耐撞性提升效果。结果表明,FS-DHT优化后其比吸能提升了21.61%且初始峰值压溃力降低了13.40%,同时促成功能梯度变截面双六边形吸能盒吸能量提升了17.14%且保险杠处对应初始峰值压溃力降低了6.46%,取得了良好的耐撞性多目标协同优化效果,为协同提升车身耐撞性与轻量化水平提供了一种行之有效的新结构与新思路。

关键词： 锥形吸能盒结构   梯度泡沫铝   准静态压缩   有限元仿真   轻量化设计  

摘要： 为了提升汽车被动安全性能，提升汽车吸能盒在碰撞中的吸能表现，提出了新型含诱导槽填充梯度密度泡沫铝锥形汽车吸能盒。利用ABAQUS商业有限元软件，通过计算研究了含诱导槽填充梯度密度泡沫铝锥形汽车吸能盒撞击性能，探究了泡沫铝密度梯度、诱导槽设计和锥管设计中的多种因素对吸能盒撞击性能的影响，揭示了吸能盒的撞击变形机制和吸能特性。之后以同等质量结构较低峰值载荷及优异能量吸收为优化目标，对填充梯度泡沫铝锥形吸能盒结构进行了优化设计。研究发现，相较于填充均质泡沫铝且底角为90°的吸能盒，底角为85°、逆密度梯度填充泡沫铝并添加一个诱导槽的吸能盒，比吸能提升44%，峰值碰撞力降低16.9%，压溃力效率达到了92.18%。通过优化设计给出了一种轻量化、吸能优异、变形过程稳定且承载低的汽车吸能盒设计方案。

关键词： 圆柱点阵结构   尺寸梯度   选择性激光烧结   压缩行为   吸能特性  

摘要： 梯度点阵结构具有优异的力学性能,因此广泛应用于机械装备、汽车工业等领域。基于前期设计开发的新型仿生蝴蝶单胞,设计基于蝴蝶单胞的梯度圆柱点阵结构,包括径向和轴向尺寸梯度两种结构形式。采用选择性激光烧结技术对梯度蝴蝶单胞圆柱点阵结构进行制备。为验证梯度圆柱点阵结构的优越性,同时设计制备相对密度接近的均匀蝴蝶单胞圆柱点阵结构。在此基础上,通过准静态压缩试验探究了径向和轴向尺寸梯度圆柱点阵结构的压缩行为及吸能特性。结果表明,梯度蝴蝶单胞圆柱点阵结构的整体应力-应变曲线高于对应的均匀圆柱点阵结构,因此在同等载荷条件下梯度圆柱点阵结构的承载能力优于对应的均匀圆柱点阵结构。轴向尺寸梯度圆柱点阵结构的最大单位质量吸能量和单位体积吸能量分别为0.198 J/g和0.078 MJ/m3,与均匀圆柱点阵结构相比分别提升了32.89%和44.44%。由此可见,梯度策略能够很好地提升点阵结构的整体承载能力和吸能特性。

关键词： 负泊松比   双材料胞元   梯度结构   失效变形模式   能量吸收   斜向加载  

摘要： 本文提出了基于曲边内凹双材料胞元的梯度负泊松比蜂窝结构,通过改变横纵向曲杆材料,设计了正梯度、负梯度、对称正梯度和对称负梯度四种材料递变泊松比梯度蜂窝结构.利用数值方法研究了各梯度结构的面内斜向冲击载荷作用时的动力学性能.研究发现,在斜向碰撞时下负梯度双材料排列模式的蜂窝结构吸能效果最好.针对负梯度双材料蜂窝结构,具体讨论了在不同冲击速度和冲击倾斜角度时的压溃变形模式、名义应力应变曲线与能量吸收效果的变化规律.结果表明,冲击速度和冲击倾斜角度对模式吸能效果的影响非常大;无论在何种速度下,倾斜角度越小,结构的吸能效果越好,即结构的耐撞性随碰撞倾斜角度的增大而减小.

关键词： 吸能盒   非线性有限元   双变梯度   耐撞性能   变形模式  

摘要： 为了提升车辆吸能盒的耐撞性,设计了厚度梯度、材料梯度及材料厚度双梯度变化的吸能盒。建立了吸能盒的有限元模型,采用非线性动力学有限元分析软件LS-DYNA进行仿真分析,并通过试验验证了有限元模型的可靠性。结果表明:厚度对耐撞性的影响较大。与匀质吸能盒相比,最优的厚度梯度吸能盒的比吸能(SEA)提高了53.37%,而其初始峰值力(PCF)仅增大了4.08%。提出两种双变梯度吸能盒,与匀质吸能盒相比,最优双变梯度吸能盒的SEA值提升了143.18%,但是其PCF值仅仅增大了3.9%。

关键词： 点阵材料   能量吸收   数值模拟   梯度结构   优化设计  

摘要： 提出了一种新型的余弦函数胞元基(Cosine function cell-based,CFCB)点阵材料,并对其面外压缩载荷下的力学性能开展试验及仿真研究,试验结果表明新型CFCB点阵材料在准静态面外压缩载荷下的能量吸收较相同质量的体心立方(Body centered cubic,BCC)点阵材料提升了134.4%;此外,通过有限元仿真发现CFCB点阵材料的能量吸收随胞元单杆直径增加而增加。为了进一步改善均匀型CFCB点阵材料的面外压缩变形模式并提高其承载性能,设计了一种层间梯度CFCB点阵构型,并结合试验与仿真手段探究了梯度CFCB点阵材料在准静态面外压缩载荷下的能量吸收特性及关键参数对其吸能特性的影响规律。结果表明:与均匀CFCB点阵材料相比,梯度CFCB点阵材料在吸能方面具有更强的优势,且增大梯度系数可以提高层间梯度点阵材料的承载能力与能量吸收能力。最后,采用离散变量多目标优化方法对层间梯度CFCB点阵材料进行了优化设计,优化后的梯度CFCB点阵材料的比吸能提高了35.3%,能量吸收增加7.1%。研究能够对新型CFCB点阵材料及其梯度构型设计提供可靠的试验结果、准确的数值模型及高效的优化方法。

关键词： 吸能盒   功能梯度结构   仿生截面   结构设计   多目标优化  

摘要： 传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成梯度材料结构,同时仿照竹节虫胫骨截面结构对其横截面形状进行优化,并基于优化拉丁超立方体试验设计和响应面模型对竹节虫胫骨横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明,优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。

关键词： 梯度功能柱胞   吸能材料   准静态压缩   变形规律   吸能性能  

摘要： 通过万能试验机对梯度功能柱胞吸能材料进行了准静态压缩试验,研究了材料种类梯度配置、赤道半径梯度配置、极半径梯度配置、壁厚梯度配置4种不同芯层配置方式对梯度功能柱胞吸能材料变形规律和吸能性能的影响。结果表明,试样的变形吸能性能在压缩过程的前期主要受上层柱胞影响,后期主要受下层柱胞影响。均质柱胞吸能材料的上下层柱胞在整个变形过程差异较小,而梯度功能柱胞吸能材料都具有逐层变形、渐进吸能的特点。在准静态压缩荷载作用下,压缩80%的情况下,由于所有试样的变形程度均较为充分,此时试样的吸能量主要受压溃力指标影响,压溃力指标越高,吸能量越高;反之,压溃力指标较小时,位移越大的试样,吸能量越高。

关键词： 折纸结构   薄壁管   梯度泡沫填充   吸能特性   多目标优化  

摘要： 随着汽车工业的快速发展,我国车辆保有量持续激增。由此引发的交通安全事故也日益凸显,汽车安全问题愈发严重。为降低因车辆发生事故后的伤亡和损失,汽车被动安全设计显得尤为重要,传统汽车吸能结构以金属单胞薄壁管为主,存在吸能效率低,峰值载荷力较大、载荷稳定性差等缺陷。近年来,将折纸图案引入薄壁结构设计,通过预折痕控制压溃变形模式,以此改善其吸能特性,具有较大的应用潜力。同时,聚氨酯泡沫具有密度低、质量轻、吸能效果好等优点,是理想的吸能填充材料。 本文针对梯度泡沫填充的折纸型薄壁方管吸能特性及优化设计进行研究。确定了折纸型填充管的折纸图案和几何模型。利用3D打印技术成功制作试验样件,并对其进行轴向准静态压缩实验,对比分析折纸型填充管层数、层间二面角、壁厚和不同密度泡沫填充对结构吸能特性的影响规律。研究结果表明:引入折痕设计能够有效改善吸能结构的吸能特性,初始峰值力PCF显著降低,同时总吸能E A仍处于较高水平。折纸型填充管采用正梯度泡沫填充方式,其吸能能力优于负梯度和单一密度泡沫填充方式。最后,针对折纸型填充管进行多目标优化设计,建立代理模型预测层间二面角、层数以及填充不同密度的泡沫与模型的相关性。分别采用NSGA-II算法与CHC算法进行多目标优化求解分析,并通过仿真和试验对比验证优化后结构参数的准确性。结果表明,CHC算法较NSGA-II算法的优化结果更为准确。优化后的最优参数解为:层间二面角度数为150°,折纸管层数为8层,填充泡沫密度为0.3g/cm3。对应的折纸型填充管其比吸能SEA较普通直管提升10.3%,初始峰值载荷PCF下降47.4%。 综上所述,本文结果表明带有折纸图案设计和泡沫填充的折纸型填充管具有优良的吸能特性,这一研究可为后续引入更复杂的折纸图案设计和工程化实际应用提供研究思路和参考价值。