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： 吸能盒是汽车车身结构中重要的安全装置,在事故发生时,通过溃缩吸收外部冲击的动能,保证乘客的安全。传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量和单位位移吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。如何选择合适的材料来提高其吸能效果、控制其溃缩状态、同时降低其结构重量是重要的研究方向。为此,本文引入一种功能梯度型吸能盒结构,即让吸能盒从一端的316L不锈钢逐渐过渡至另一端的铝合金,实现在吸能盒减重的同时,达到良好的溃缩状态和吸能效果。首先,为了寻找吸能盒最佳结构,通过有限元分析软件模拟不同截面不同材料吸能盒的准静态和动态冲击过程,得到碰撞力曲线和变形模式云图。与此同时,本文利用选区激光熔化(SLM)技术制造了功能梯度仿生吸能盒,并与有限元仿真模型进行对照,验证了仿真的正确性。通过万能试验机进行准静态压缩试验,验证了仿生截面的功能梯度材料吸能盒拥有最佳的能量吸收性能。其次,为提升吸能盒的吸能效果,本文提出利用仿节虫胫骨截面结构设计对吸能盒截面形状进行优化。基于优化拉丁超立方体试验设计响应面模型,通过近似理论构建近似模型,以更加简单更易计算的近似函数来解决复杂的吸能盒目标函数问题,对仿生吸能盒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5.6%,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。进一步地,对吸能盒材料的最优梯度分布状态进行研究。本文通过满意度函数S评估改进效果,从而优化了梯度形状分布因子P。最后,本文开展了铝合金增材制造成形工艺研究。旨在通过对扫描速度、激光功率的优化,结合TiCN陶瓷颗粒增强,有效提升AlSiMg材料的抗拉强度、硬度、致密度等性能,完成了零部件成形工艺的优化。同时将TiCN增强AlSiMg新型材料应用于汽车吸能盒上,研究不同工艺参数和含量对新型材料组织与力学性能影响使新型吸能盒性能显著提升。试验结果表明350w、1650mm/s为最优制造工艺参数,0.2%含量为TiCN最优添加量。

关键词： 梯度   多孔结构   超弹性   隔冲性能   减振特性  

摘要： 舰船受到的复杂动态冲击会对舰船设备造成较大损伤,因此舰船设备的防护力是影响舰船生命力的重要因素之一。研究表明,多孔结构在动态载荷作用下具备良好的隔振性能与吸能作用,超弹性材料具备良好的隔冲性能。然而,多孔结构在面对冲击的时候,往往会出现可靠性与刚度较差的现象。基于上述背景,为了提高结构的冲击隔离性能的同时兼顾隔振性能,本研究针对舰船齿轮箱的隔冲需求,设计并制备出管状增强超弹梯度多孔结构,并系统研究了该结构的动态响应、模态特性、减振性能和冲击隔离性能。主要研究内容包括: 首先,针对舰船齿轮箱的隔冲需求,基于仿生梯度设计思想和冲击动力学理论,结合轻质多孔结构优异的力学性能和聚氨酯材料的高阻尼超弹特性,设计出兼具优异力学承载性能和隔冲性能的新型管状增强超弹梯度多孔结构。结合工程实际,开发该结构的模压灌注一体化成型工艺,并实现各类不同规格的管状增强超弹梯度多孔结构的制备。通过聚氨酯圆柱形试样标准压缩测试试验,拟合出聚氨酯母材的Mooney-Rivilin超弹性本构参数,并采用DMA测试,获得其粘弹性参数,为后续结构的相关性能研究提供基础数据支撑。 然后,建立新型管状增强超弹梯度多孔结构的三维有限元动力学模型,研究了拓扑构型、孔隙率、增强管壁厚、冲击脉宽与幅值等因素对于其隔冲性能的影响。结果表明,三角形管状增强超弹梯度多孔结构具有较低的固有频率和较好的隔冲性能。通过结构的固有振动特性和振动响应分析,获得结构的各阶固有模态、加速度响应和振级落差曲线。结果发现,结构在100Hz-200Hz之间具有较好的隔振作用。为降低舰船用隔冲器的质量,使用碳纤维复合材料作为管状增强材料,使用多尺度方法计算新型管状增强超弹梯度多孔结构的隔冲性能,结果表明,使用碳纤维复合材料的新型管状增强超弹梯度多孔结构的隔冲性能要低于使用铝管的隔冲器。 最后,针对两种不同规格的齿轮箱,开展新型管状增强超弹梯度多孔结构的冲击试验,获得其加速度响应和隔冲效率。结果表明,该结构在大多数工况下均有较好的冲击隔离效果,隔冲效率可达40%以上,通过与数值结果对比,验证了仿真模型的准确性。研究结果可为舰船新型隔冲减振装置提供理论参考和技术储备。

关键词： 梯度内凹蜂窝   负泊松比   平台应力   能量吸收   圆柱壳  

摘要： 负泊松比蜂窝结构由于具有轻质、高剪切模量、能量吸收性能优越等特点,在实际应用中有着巨大的潜力。本文提出了两种具有负泊松比特性的梯度内凹蜂窝结构,用理论推导与数值模拟结合的方式对梯度内凹蜂窝进行了参数分析。最后将梯度内凹蜂窝与圆管结构结合得到蜂窝圆柱壳并研究了其吸能特性。主要内容包括: 首先,基于传统三角形结构提出两种具有串联壁厚梯度分布的新型内凹结构,研究了梯度分布对新型结构变形模式、平台应力与能量吸收性能的影响。基于能量守恒定律和线性动量定理推导了新型蜂窝平台应力的理论模型并通过数值模拟进行了验证。结果表明,梯度分布会改变新型蜂窝结构的变形模式且会削弱负泊松比效应,梯度也会影响蜂窝的平台应力和能量吸收性能。另外,本文建立的理论模型也可用于新型蜂窝平台应力的预测中。 然后,在内凹三角形蜂窝中引入并联壁厚梯度,研究新型梯度分布对蜂窝静强度、平台应力和能量吸收性能的影响。结果表明,并联梯度设计可以提升蜂窝的静态强度且静态增强系数不受相对密度影响,蜂窝在梯度λ=0.8时具有较高的平台应力和能量吸收性能,蜂窝在梯度λ=0.2时对冲击速度有着较高的敏感度。 最后,将梯度内凹三角形蜂窝与圆管结构结合并分别引入串联和并联梯度分布,研究梯度分布对蜂窝圆柱壳平台应力和吸能特性的影响。结果表明,串联梯度分布会削弱蜂窝圆柱壳的平台应力和能量吸收性能,而并联梯度设计可以提升蜂窝圆柱壳的平台应力和能量吸收性能。 图[86]表[2]参考[95]

关键词： 晶格结构   异构梯度   力学性能   吸能特性   轻量化   优化设计  

摘要： 结构轻量化技术广泛应用于航空、航天、兵器等领域重大工程装备的设计制造,是提升装备有效载荷、飞行航程、机动性能的重要途径。传统轻量化设计方法存在结构功能一体化程度不足、设计制造过程分离、复杂结构制造效率低等问题,难以满足重大航天装备结构质量占比从25%降至10%以内的迫切需求。增材制造技术能够快速制造具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势的三维晶格结构,使得基于三维晶格的轻量化设计方法成为解决上述瓶颈难题的全新途径。如何高质量地设计符合重大工程装备服役性能要求的轻量化晶格结构,成为国内外相关领域关注的焦点。论文以三维晶格结构的吸能特性分析及优化设计为目标,采用理论计算、数值模拟及物理试验相结合的方法,系统地研究了晶格胞元的设计方法、等效力学性能分析方法、吸能特性分析方法,实现了吸能特性驱动的三维晶格结构功能一体化设计。论文的主要研究内容与成果如下: (1)研究了基于刚度约束以及增材制造工艺约束的新型晶格结构设计方法,提出了曲率引导的隐式曲面晶格胞元优化设计策略、模板驱动的自支撑晶格胞元拓扑优化设计策略,分别设计了三类典型的优化隐式曲面胞元结构和三类自支撑拓扑优化胞元结构。在各自极小相对密度下,优化后的隐式曲面晶格结构的理论压缩模量比最高可提高4.5倍,自支撑拓扑优化晶格结构的理论压缩模量比最高可提高65%。 (2)针对晶格结构的承载、吸能特性分析和预测问题,研究了周期晶格结构的均匀化和准静态压缩模拟分析方法,结合模拟和试验的变形破坏过程,分析了六种晶格结构的压缩性能和吸能特性,建立了六种晶格结构的各向弹性性能预测模型。同时,利用liner、sigmoid和sin等三种密度梯度函数,分析了梯度晶格结构的平均相对密度、梯度值以及应变与吸收能量之间的关联关系,建立了梯度晶格结构的吸收能量预测模型,吸收能量最大预测误差在6%以内。 (3)针对拉伸主导晶格吸能效率低和弯曲主导晶格吸收能量低的问题,提出了基于断裂带增强机制的异构梯度晶格结构吸能优化设计方法。基于拉伸主导Cur-P和弯曲主导Cur-i Wp(Cur-W)结构的变形断裂分析,结合异构晶格建模设计方法,增强了异构梯度晶格的断裂带强度。相比于原结构,PWP晶格结构的稳定吸能效率提高了40%,WPW晶格结构的致密化吸收能量提高了70%。 (4)针对异构梯度晶格填充设计的构型分区以及内部晶胞相对密度分布等优化问题,提出了基于多拓扑胞元构型插值的异构梯度晶格刚度优化设计方法,快速构建了自适应晶胞构型以及晶胞相对密度分布图。以三点弯曲梁为对象,验证了本文刚度优化设计方法的有效性,相比于Cur-W梯度结构,WP异构梯度结构的刚度提高了40.57%。 (5)基于论文研究成果,分别进行了卫星推力器支架的刚度优化设计和迫击炮座板、卫星缓冲阻尼器结构的吸能优化设计。其中,优化后的座板减重达44.5%,单位质量吸收能量提高了71.4%;优化后的推力器支架减重达35%,比刚度提高了19%,有效承载能力提高了8.8%;优化后的缓冲阻尼器结构的最大吸收能量提高了58.3%,验证了论文优化设计方法的有效性。

关键词： 耐撞性   薄壁结构   吸能结构   负泊松比   优化设计  

摘要： 提高车身结构的耐撞性对乘员安全性和车身结构的维修经济性均起到促进作用。薄壁金属吸能结构因其轻质、价廉等优点已被广泛应用于车身结构中。因此,薄壁吸能结构在车身耐撞性设计中具有重要意义。论文围绕薄壁吸能结构的创新设计开展研究,综合利用理论分析、试验技术、数值仿真以及多目标优化等多种研究方法,提出并研究了多种新型的薄壁吸能结构,开展了系统的耐撞性研究工作。研究的主要内容如下:(1)菱形层级梯度六边形管(Rhombic hierarchical gradient multicellular hexagonal tube,RHGMHT)在轴向冲击下的耐撞性及优化研究。基于层级梯度设计了一系列新型的RHGMHT。通过实验验证了有限元模拟的可靠性。其次,对比了截面构型梯度分布与非梯度分布的影响以及与其他结构的耐撞性进行对比。随后,对RHGMHT开展参数化研究,分析壁厚、层级、不同肋壁厚的影响。参数化研究表明,2阶RHGMHT最高的比吸能(Specific energy absorption,SEA)比0阶六边形管提高了57.89%。通过简化超折叠单元(Simplified super folding element,SSFE)理论预测不同参数下RHGMHT的平均冲击力(Mean crushing force,MCF)。最后,通过第二代非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)寻优。(2)双梯度层级六边形管(Double-gradient hierarchical hexagonal tubes,DGHHT)在多重载荷下的耐撞性研究。通过双梯度层级设计获得新型的DGHHT。首先与单梯度层级六边形管(Single-gradient hierarchical hexagonal tubes,SGHHT)对比,验证其多重载荷下的耐撞性。随后,开展参数化研究,分析壁厚、层级、冲击的角度对其耐撞性的影响。最后,与常规结构对比,突出在较高的冲击角度下,其抵抗整体弯曲的能力。(3)仿生层级梯度多胞管(Bio-inspired hierarchical gradient multi-cell tubes,BHGMT)在轴向冲击下的耐撞性研究。通过植物微观结构的分布特征设计了一系列BHGMT。首先,通过实验验证有限元模拟的可靠性。随后,对BHGMT开展参数化研究。参数化研究表明,4阶BHGMT的SEA比方管提高了2.43倍。最后,通过SSFE理论预测不同参数下BHGMT的MCF。(4)面内冲击下新型层级梯度内凹六边形蜂窝的吸能性能研究。提出了一种新型的内凹六边形蜂窝(Novel re-entrant honeycomb,NREH)。首先,对比了3种NREH的吸能性能,发现在面内冲击时σ和SEA相差不大,而NREH-3的泊松比更小。随后,对NREH-3开展了参数化分析。分析NREH-3角度θ的变化发现,θ在60°至90°之间,SEA随角度增加而增加。在90°至120°之间,随角度增加而下降。其中NREH-3-80比NREH-3-60的SEA提高了41.46%,而泊松比保持不变。

关键词： 梯度密度泡沫铝   数值仿真分析   三点弯曲   多目标优化  

摘要： 随着我国轨道交通事业快速发展,列车被动安全防护逐渐成为众多学者的关注热点。轨道列车在运行期间运行速度较高,发生碰撞事故时会对乘员的生命财产造成不可挽回的重大损失。为降低事故造成的损失,轨道列车前端通常会安装能量吸收装置对其进行保护,现有能量吸收装置一般以薄壁单胞管居多。功能梯度泡沫铝因其良好的能量吸收特性,在轨道列车被动安全防护领域具有良好的应用前景。本文对泡沫填充薄壁结构的弯曲性能分析进行研究,分析相关参数对弯曲性能影响,并进行优化设计。主要研究工作包括:(1)对研究中涉及的相关理论及填充结构弯曲性能评价指标进行简要论述。构建泡沫铝填充薄壁结构有限元模型,使用显式动力学软件LS-DYNA对泡沫铝填充结构进行仿真分析,并对仿真结果进行对比,主要包括各结构变形模式、载荷-位移曲线以及比吸能-位移曲线等。结果表明填充泡沫铝材料在一定程度上提高了薄壁管结构的承载稳定性。(2)分析泡沫铝填充材料梯度密度变化指数、泡沫铝材料填充方式、不同薄壁管壁厚以及不同冲击速度对填充结构弯曲性能影响,结果表明不同泡沫铝梯度密度变化指数对填充结构的弯曲性能作用效果不同,填充方式的不同会对其弯曲性能产生较大影响,薄壁管壁厚及冲击速度对填充结构弯曲性能影响相对较小。(3)使用ISIGHT优化设计软件对泡沫铝薄壁填充结构进行多目标优化设计,选择拉丁超立方试验设计方法进行25组样本点的采集,并以薄壁管及内部肋板厚度T、T及泡沫铝填充材料梯度密度变化指数m为设计变量,以比吸能SEA最大及峰值压溃力PCF最小为设计目标,建立多项式响应面代理模型,根据NSGA-Ⅱ遗传优化算法得到泡沫铝填充结构比吸能SEA与峰值压溃力PCF的Pareto前沿解集与最优解。对最优解进行有限元计算及验证,结果表明最优解实际值与预测值之间具有较高一致性,且优化后泡沫铝薄壁填充结构其弯曲性能得到显著提升。本文以泡沫填充薄壁结构为研究对象,对其弯曲性能进行研究分析,并结合多目标优化设计方法对泡沫填充薄壁结构进行优化设计,优化后泡沫填充薄壁结构弯曲性能得到一定程度增加。本文对泡沫填充薄壁结构弯曲性能的研究,为列车的被动安全防护提供了一新的思路,具有一定工程参考意义。

关键词： 冰模板法   梯度多孔材料   仿生结构   高吸能值   轻质  

摘要： 减震吸能发泡材料具有轻质、减震吸能能力强等特点,受到研究人员的广泛关注。针对发泡材料的保护对象不同,可将其分为硬质吸能泡沫材料和软质吸能泡沫材料。硬质吸能泡沫材料压缩过程应力-应变曲线有明显的应力平台期,具有较高的模量、明显的屈服应力点、长平台期应变和较大的平台期应力。通常用在汽车碰撞、航天器材着陆等场景,对刚度较高的物体进行一定的保护。软质减震吸能泡沫材料通常具有较低的模量,压缩过程呈现J型应力-应变曲线。软质吸能材料的主要保护对象为易碎品或低模量生物组织,例如玻璃器皿、精密仪器和膝盖、肘部。然而,目前硬质吸能泡沫材料的金属泡沫材料密度过高、硬质聚合物泡沫材料吸能值低,难以实现既轻质又高吸能的效果;目前的软质吸能泡沫材料能量耗散率低,且密度大,重复使用性差。本文从仿生的研究方法出发,通过扫描电子显微镜和Micro-CT观察等手段,研究了天然柚子皮的孔结构。受天然生物结构启发,采用冰模板法多层冷冻制备了一种具有梯度结构的仿柚子皮软质聚酰亚胺泡沫材料。分别研究了仿柚子皮材料的微观结构、压缩过程、吸能能力。所制备的仿柚子皮多孔材料的压缩曲线与吸能能力和柚子皮十分相似,且重使用性强。此外,本文以环氧树脂乳液为原料,制备了具有密度梯度的硬质取向多孔高分子材料。通过准静态压缩过程分析,我们发现梯度取向多孔泡沫比无梯度取向多孔泡沫和非取向孔泡沫具有更高的压缩强度和更大的吸能值。在低密度条件下,我们的取向梯度多孔材料吸能值是聚氨酯、聚氯乙烯等普通高分子泡沫的近2倍,相同吸能值条件下密度仅为金属泡沫的1/2。

关键词： 梯度薄壁管   圆弧诱导槽   初始峰值力   比吸能  

摘要： 梯度薄壁管作为一种新型吸能元件,相比普通薄壁管具有更优越的碰撞吸能特性。为了进一步提升梯度薄壁管吸能特性,提出具有圆弧诱导槽的梯度薄壁管。分析圆弧槽半径大小,梯度薄壁管厚度,梯度薄壁管不同材料以及碰撞角度对圆弧诱导槽梯度薄壁管的吸能特性的影响。对圆弧诱导槽梯度薄壁管进行轴向和斜向碰撞仿真研究,以初始峰值力和比吸能作为研究指标,仿真结果表明具有圆弧诱导槽的梯度薄壁管能够进一步降低碰撞初始峰值力,同时比吸能有所提升。

关键词： 动车组   蜂窝填充吸能结构   梯度   准静态压缩试验   冲击试验  

摘要： 为实现碰撞变形顺序有序可控,功能梯度思想在吸能结构设计逐渐得到应用。为减小某动车组吸能结构在冲击过程中变形顺序的不确定性,采用蜂窝结构尺寸、诱导结构和强化加强筋板的梯度化设计思想,提出一种蜂窝填充梯度吸能结构,通过准静态压缩试验、刚性墙撞击和吸能结构偏置对撞的台车冲击试验研究其耐撞性能。研究结果表明:冲击时蜂窝填充梯度结构从前至后产生稳定有序可控的变形,冲击力随压缩行程增加至508.07 mm时上升至最大值821.69 kN,呈现梯度上升的趋势,吸收冲击动能为244.1kJ,满足某动车组耐撞击性能需求。

关键词： 高速列车   吸能   多胞结构   等梯度厚度   近似模型   多目标优化  

摘要： 为提升高速列车前端吸能结构的耐撞性能,将厚度梯度变化理念引入常规多胞吸能结构设计中,对变厚度多胞管的吸能特性进行了分析。文章结合有限元模型与全因子试验设计,对比试验点的响应特征,分析了截面最小厚度和厚度变化梯度对多胞吸能结构吸能特性的影响,构建了多胞吸能结构的比吸能和峰值压溃载荷关于最小厚度和厚度变化梯度的径向基函数(RBF)神经网络模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法进行了多目标优化设计。优化后的变厚度多胞吸能结构的吸能量提高了18.11%,比吸能提高了16.12%,峰值压溃载荷降低了0.39%,表明其耐撞性能得到了明显的提升,可为高速列车吸能结构设计思路提供参考。