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。

关键词： 功能梯度材料   吸能盒   压溃模拟   优化设计  

摘要： 通过在铝合金成分中添加316L不锈钢制作功能梯度材料吸能盒,同时对其横截面形状进行优化形成五边形截面结构,并基于试验设计和响应面模型对五边形横截面的具体结构进行多目标优化设计。仿真结果表明:五边形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,单位位移吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。

关键词： 驾驶室A柱   吸能特性   复合功能梯度   Kriging代理模型   多重加点  

摘要： 商用车驾驶室的被动安全性一直是该领域的研究热点。当商用车发生交通事故时,驾驶室薄壁零部件通过吸能来保证驾驶员的乘车安全。但是目前对于薄壁零部件展开的研究主要集中于顶端加载工况,与实际碰撞不相符,难以在商用车碰撞中得到应用。因此,本文基于此问题,系统性的研究横向加载工况下薄壁零部件的吸能特性,提出一种复合功能梯度薄壁结构;并将其应用在驾驶室上,验证结构的有效性。 本文以驾驶室的有限元模型作为着手点,基于惯性释放方法研究驾驶室的静态弯扭特性,分析驾驶室静态安全性能;应用LS-DYNA软件进行双A柱碰撞安全分析和零部件吸能特性分析,揭示驾驶员的生存空间变化以及零部件的吸能规律;同时得到在碰撞过程中,吸能影响较大的关键零部件,为驾驶室结构的结构设计提供参考。 基于关键零部件A柱的结构形式,从吸能角度出发,首次引入复合功能梯度的概念,提出了复合功能梯度结构并展开系统性研究:在横向加载工况下进行碰撞加载角度分析,得到合适的加载角度范围;在该范围内,基于最大应力理论和复杂比例吸能特性多属性评价方法,比较分析得到最优的功能梯度厚度的结构形式;对该结构进行影响因素分析,揭示其吸能特性规律,为其在驾驶室A柱的应用优化做准备。 本文通过搭建代理模型的优化方法对复合功能梯度A柱结构参数进行优化。但是由于驾驶室模型复杂,为了改善代理模型的精度,本文在普通Kriging模型优化原理的基础上,同时引入目标函数最小值加点准则(Minimizing the Predicted Objective Function,MP)、均方根误差最大值准则(Maximum of Root Mean Squared Error,RMSE)和改进期望最大值准则(Maximum of Expected Improvement,EI),提出EI&MP&RMSE多重加点准则的Kriging代理模型优化方法;并通过算例来校验该优化准则的准确性。 将复合功能梯度的结构参数作为设计变量,应用EI&MP&RMSE多重加点原则的Kriging优化方法搭建相关参数的代理模型,以驾驶室的吸能、A柱质量以及横向生存空间为优化目标,运用NSGAⅡ优化算法进行优化。结果表明:驾驶室的吸能效果增加了0.82%,其中零件A柱的吸能效果增加了19.64%,验证了本文提出的复合功能梯度新型结构在工程实际上的可行性。

关键词： 梯度内凹蜂窝结构   能量吸收   动态泊松比   面内倾斜加载   圆柱壳  

摘要： 力学超材料是由人工设计的新型结构,其中负泊松比结构由于具有刚度高、强度高、吸能高、质量密度低、不同载荷条件下泊松比变化范围大等特点,在实际应用中有着广泛的应用前景。本文以传统负泊松比结构为基础,提出两种角度梯度变化负泊松比结构,并从实验和数值模拟两方面对其吸能性能进行参数分析。同时考虑结构拓展需求,提出双向内凹和梯度蜂窝圆柱壳,得到了吸能效果更好的结构。主要内容包括:首先,基于传统的内凹六边形蜂窝结构,设计一种具有角度梯度分布的新型内凹负泊松比结构,通过试验展示了角度梯度设计优良的吸能效果,研究了面内倾斜载荷下两类角度梯度内凹蜂窝结构的变形模式、平台应力和能量吸收特性。结果表明,当倾角为2°,角度梯度值为3°的新型角度梯度蜂窝结构具有较高的平台应力和良好的能量吸收模式。其次,将四个六角形与四角形结构相结合,设计一种新型双向内凹结构,利用有限元软件模拟验证结构拥有两个平台应力理论的正确性和准确性,消除了组合结构在低速时两个平台间的峰值应力,探讨了结构几何参数对平台应力的影响。结果表明,双向内凹结构的负泊松比效应明显,平台应力和比吸能随着短杆长度、厚度和速度的增加而增加,增加内凹角度则会降低平台应力和比吸能。再次,对新型双向内凹结构的整体进行线性和非线性梯度设计,通过有限元软件获得梯度结构的变形模式,分析不同参数和分布方式下的平台应力和能量吸收曲线。结果表明,平台应力和能量吸收随层数、梯度率的绝对值和速度的增大而增强,其中线性梯度结构能更好的降低峰值应力。最后,基于结构在三维空间上进行拓展的考虑,研究双向内凹结构圆柱壳在轴向载荷作用下的吸能特性,对均匀结构圆柱壳不同面外厚度、不同相对密度和速度参数的比吸能进行比较,研究不同梯度分布结构在不同速度下的吸能能力。结果表明,在低速情况下,高面外厚度和相对密度向中间递减的分布方式会提高吸能能力,相对密度向两端递减的分布方式则可以降低峰值应力。

关键词： 蜂窝材料   梯度壁厚   随机缺陷   冲压变形   缓冲吸能  

摘要： 研究发现金属蜂窝结构具有质量轻、强度高、有良好的隔声隔热及吸能缓冲等性能。尤其是铝蜂窝结构在压缩过程中的良好缓冲性能以及吸能效果,广泛应用于工业生产包装,防震减震内部填充、航空航天以及军事工程等方面。由于受到生产工艺等各方面因素的影响,金属蜂窝材料在生产过程中难免产生不均匀的随机缺陷以及壁厚方面的薄厚不均。为了解随机缺陷与梯度壁厚对蜂窝结构材料力学性能方面的影响,本文以正六边形铝蜂窝结构为研究对象,施加不同程度的随机缺陷与梯度壁厚,研究不同冲击荷载下随机缺陷与梯度壁厚对六边形蜂窝结构的动态压缩及缓冲吸能性能的影响,并与均匀蜂窝结构模型进行力学性能等方面的比较。采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟分析,根据数值模拟分析结果得出如下结论:1.均匀六边形蜂窝材料冲压变形过程主要分为三个部分:即加载初期弹性变形阶段、加载中期塑性变形阶段、加载末期破坏阶段。从应力-应变角度分析,蜂窝材料首先达到一个应力峰值,随后进入平台应力阶段,最后进入应力激增段,初始应力峰值随冲击荷载的增大而增大。从能量吸收角度分析,单位质量蜂窝材料的吸能效率与冲击荷载成正相关。2.非均匀六边形蜂窝单独施加梯度壁厚能够有效改善蜂窝材料冲压变形特性,正负梯度分布有效利用材料强度,节约用材。含有不同缺陷率随机缺陷对于改善蜂窝材料变形带积聚具有积极影响,能够降低蜂窝材料初始应力峰值,有效防止变形带过分积聚而产生局部破坏,但随着缺陷率的提升,材料的抗冲击强度有所降低。3.同时施加梯度壁厚与随机缺陷情况下,少量随机缺陷与梯度壁厚随机组合既能够充分利用蜂窝材料强度,积极改善变形特性,又能够缓解变形带过分积聚、局部破坏问题。过高缺陷率不仅对蜂窝材料缓冲吸能没有积极影响,反而使变形带过分弥散,削弱蜂窝材料缓冲吸能性能。相同条件下含随机缺陷的梯度壁厚蜂窝材料平台应力值与冲击荷载成负相关。

关键词： 负泊松比   多工况   多目标优化   吸能盒   耐撞性能  

摘要： 负泊松比结构具有质量轻、比吸能高和耐冲击等特点,同时还具有“拉胀效应”,可以使结构的刚度和强度随着结构的变形而增强。此外,具有周期性排列的负泊松比结构的胞元参数与力学性能以及吸能特性之间的直接联系也展现了其功能化设计的潜力,因而被广泛应用于汽车和航空航天等领域。对负泊松比结构耐撞性能的研究,有利于提高负泊松比结构的汽车工程化水平,同时对汽车碰撞安全性能具有重要意义。目前对于汽车吸能部件以及多胞结构碰撞性能的研究,尤其是负泊松比结构碰撞性能的研究多是基于理想的轴向冲击工况,鲜有考虑冲击角度对吸能结构耐撞性能的影响。然而在实际的汽车碰撞过程中,在不同冲击速度下,碰撞方向通常与汽车吸能部件轴向方向呈一定的角度。所以需要在多角度、多速度冲击工况下,对负泊松比结构的吸能特性进行进一步研究。本文以数值模拟方法为主,结合功能梯度设计和多目标优化设计方法,对不同维度的负泊松比内凹蜂窝结构在多工况冲击条件下的吸能特性展开了一系列研究。同时基于仿生设计原理,提出了混合梯度内凹蜂窝结构,进行了多工况吸能特性的研究,并将梯度内凹蜂窝结构填充于汽车吸能盒,进行多目标优化设计。具体研究内容如下:(1)以二维内凹蜂窝结构为研究对象,在不同冲击角度和不同冲击速度工况下,通过对比选择了两种典型面内冲击方向(垂直和平行于单胞水平胞壁)中综合耐撞性能更好的方向,研究了胞元结构参数对其综合耐撞性能的影响规律。总结了多工况冲击条件下,二维内凹蜂窝结构的动态响应规律、吸能特性和变形模式。制作了铝合金样件,进行了轴向压缩试验,通过与仿真结果对比分析,验证了仿真模型的可靠性。(2)在二维构型的基础上,以三维内凹蜂窝点阵结构为研究对象,在多工况冲击条件下对比并选择了两种典型面内冲击方向(X向和Z向)中综合耐撞性能更好的方向,研究了胞元结构参数对其综合耐撞性能的影响规律。探究了多工况冲击条件下,三维点阵结构的动态响应和吸能特性,并进行了变形模式的总结。通过制作样件进行压缩试验并与仿真结果对比的方法,验证了有限元模型的可靠性。(3)结合功能梯度设计原理和仿生设计理念,提出了混合梯度内凹蜂窝结构。分别以二维和三维内凹蜂窝结构为研究对象,设计了9种不同的排布方式,研究了多工况冲击条件下,结构的综合耐撞性能和变形模式。结果表明,不管是二维还是三维,横向负梯度纵向正梯度排布方式的综合耐撞性能均优于其他排布方式。(4)将三维内凹蜂窝点阵结构作为内芯填充于汽车吸能盒,得到填充吸能盒,并在多工况冲击条件下与其他类型吸能盒的综合耐撞性能进行对比。通过对梯度填充吸能盒进行多目标优化设计,得到了综合耐撞性能最优的梯度填充吸能盒。结果表明,优化后填充吸能盒的综合吸能量提高了12.3%,效果显著,同时稳健性分析也表明,最优设计方案具有良好的鲁棒性。

关键词： 蜂窝   密度梯度   面内冲击   变形模式   能量吸收  

摘要： 基于功能梯度材料概念,通过逐层改变蜂窝胞元壁厚,建立具有固定质量的分层密度梯度六边形蜂窝材料模型。在此基础上,对分层密度梯度六边形蜂窝材料面内冲击性能进行分析,重点讨论了不同冲击速度下密度梯度方向、大小对蜂窝材料压缩变形模式及吸能特性的影响。研究表明:中低速时,密度梯度的变化使得蜂窝材料变形模式及名义应力-应变曲线产生了明显变化,高速时,密度梯度影响较小;吸能方面,不同冲击速度下正密度梯度蜂窝均表现为后段程吸能,而负密度梯度蜂窝材料在中低速和高速冲击时表现是不同的,分别为后段程吸能和前段程吸能;梯度指数越大,蜂窝材料前后段程吸能效率差异越大。通过密度梯度的设计,实现满足不同工程要求的密度梯度蜂窝材料的设计。

关键词： 梯度泡沫铝   二维Voronoi   衰减速度冲击   变形模式   吸能性能  

摘要： 为了掌握复合夹层板的梯度泡沫铝夹芯在受到高速弹片冲击时,梯度大小、方向对梯度泡沫铝芯层变形模式、吸能性能的影响,本文采用Abaqus建立梯度参数γ分别为-2.1,-1.5,0,1.5,2.1的二维Voronoi梯度泡沫铝有限元模型,梯度参数的设置考虑了梯度大小、方向的影响,冲击过程采用指数衰减速度冲击方法,研究冲击过程中不同模型的变形特征、动能以及内能的变化。研究结果表明,梯度泡沫铝靠近冲击端的上半部分贡献了应变的60%以上,该区域局部密度越大,梯度泡沫铝的能量吸收能力就越强。由于负梯度泡沫铝靠近冲击端区域密度最大,因而其吸收的内能高于均匀随机泡沫铝和正梯度泡沫铝,并且梯度大小|γ|越大,负梯度泡沫铝的吸能优势越明显。因此,将负梯度泡沫铝填充到船体夹层板中,可以提高船体夹层板的抗冲击性能。

关键词： 冲击地压   防冲支架   吸能构件   吸能防冲性能  

摘要： 针对冲击地压下巷道支护设备防冲能力差,易遭受冲击性失效问题,提出一种应用于防冲支架立柱变梯度薄壁圆筒吸能防冲构件,设计变梯度薄壁圆管吸能构件不同的壁厚差和段数参数,对各参数变梯度薄壁圆管对其进行冲击压溃实验,并分析各相关吸能防冲性能参数,实验结果表明:变梯度薄壁圆管构件段数和厚度差的增加均会使薄壁圆管压溃初始壁厚变小,从而减小初始峰值力;在平均壁厚相同情况下,不同壁厚差和段数的变梯度薄壁圆管的平均支反力和总吸能量高于普通薄壁圆管17.6%~115.6%;在各参数变梯度薄壁圆管中,分为四段且厚度差为0.5 mm的变梯度薄壁圆管构件的初始峰值力、吸能量和平均支反力、支反力波动性能参数较优,是ZQ3300防冲支架较为理想的防冲吸能构件。变梯度薄壁圆管构件的设计可以改变普通薄壁圆管构件形成塑性铰的位置及数量,使薄壁构件变形趋向较为稳定的钻石模式和混合模式转变,提高了吸能防冲能力。

关键词： 梯度泡沫   碳纳米管   聚甲基丙烯酸甲酯   复合材料   微孔泡沫   准静态压缩   吸能性能  

摘要： 基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/碳纳米管(CNT)微孔发泡复合吸能材料,建立了一种等密度差密度梯度泡沫模型,通过在非线性唯象本构模型拟合得到的准静态压缩下的本构方程,计算了泡沫模型在不同载荷下的吸能效率分布特性及相应优劣势。系统研究了泡沫模型层间密度差、上下限密度差、泡沫层厚度梯度规律3种因素对梯度泡沫吸能效能的影响规律。结果表明,层间密度差为25 kg/m3与50 kg/m3的泡沫吸能效能较好;上下限密度差越小,吸能效率的峰值越高,在较低载荷的吸能效能会越差;单层密度接近于平均表观密度的泡沫层越厚,吸能效率峰值会越高。基于实验结果优化设计了一种吸能效率峰值达到0.326且吸能效能在<15 MPa载荷范围内相对于均质泡沫更有优势的梯度泡沫。这些结果对于密度梯度吸能材料的设计思路具有重要指导意义。