关键词： functionally-graded foam-filled tube   drop-weight impact   deformation behavior   specific energy absorption   crashworthiness  

摘要： The deformation behavior and crashworthiness of functionally-graded foam-filled tubes(FGFTs)under drop-weight impact loading were *** cell aluminum,A356 alloy and zinc foams fabricated by the liquid state processing were used as axial grading fillers for the manufacture of single-layer and multilayer structures with different *** results indicate that the deformation of multilayer foam filled tubes initiates from the low-strength components,and then propagates in the high-strength components through the gradual increment of *** use of more A356 alloy and aluminum foam layers provides greater specific energy absorption(SEA)for the graded structures,whereas the high-strength zinc foam has no positive effect on the crash *** progressive collapse of graded structures consisting of the aluminum and A356 alloy foams occurs in a symmetric mode under quasi-static and drop-weight impact ***,the zinc foam causes a combination of symmetric and extension modes as well as greater localized deformation under dynamic loading and greater local rupture in quasi-static loading *** Al−A356 foam-filled tubes with a combination of the highest SEA(10 J/g)and the lowest initial peak stress(σmax of 10.2 MPa)are considered as the best lightweight crashworthy structures.

关键词： 负泊松比结构   吸能盒   正面碰撞   功能梯度设计   优化设计  

摘要： 车辆耐碰撞性能指标在乘用车领域,尤其在家用汽车的安全性能评价标准中占有重要地位,吸能盒也是车辆低速碰撞吸能系统的重要组成部分。在车辆碰撞工况中,吸能盒的吸能效果不仅关系着车身前部结构件的损坏程度,对于整车车身结构的稳定性也起相当大的作用。传统吸能盒为了实现车辆轻量化设计的目标,通常对吸能盒内部进行镂空处理。镂空结构设计的吸能盒能够改善部件的轻量化特征,但该设计下的吸能盒在面对车辆低速碰撞工况时,只有吸能盒外部薄壁壳用于缓冲、吸收碰撞冲击,总体结构吸能表现一般。为了提高家用汽车的耐碰撞性能,在汽车碰撞事故中能够为乘客与驾驶员提供更好的保护,实现车辆部件结构优化以及车身轻量化指标,本文提出了一种新型功能梯度负泊松比(FGNPR)吸能盒,主要研究内容如下:首先,将负泊松比结构以及功能梯度设置应用至吸能盒。将负泊松比结构安装至吸能盒内部作为填充内芯,建立负泊松比(NPR)吸能盒,并将此填充内芯从前到后纵向划分为三个相同模块。基于双箭头型负泊松比单胞结构进行参数建模并建立新型负泊松比功能梯度吸能盒有限元模型。结合RCAR规程要求,对所建立的模型进行刚性墙100%正面碰撞分析和验证。其次,以吸能盒整体溃缩位移量、吸能盒末端加速度、吸能盒比吸能三个性能评价指标,构建正交试验对吸能盒的五个组成模块——两个吸能盒外壳壁结构以及吸能盒纵向划分的三个内芯结构进行灵敏度分析。筛选出对吸能盒结构性能评价指标影响较大的各个变量因素,为后续吸能盒整体结构的近似模型搭建以及目标优化设计提供了理论基础。再次,利用最优拉丁超立方试验设计方法对吸能盒结构厚度参数进行数据采样并建立近似模型。采用NLPQL、ASA两种单目标算法以及NSGA-Ⅱ、NCGA两种多目标算法对近似模型进行优化求解。利用单目标优化算法分析内芯纵向三模块对吸能盒各个评价指标的影响,并构建单目标Pareto解集库;利用多目标优化算法补充寻求功能梯度最优设置Pareto解集。最后,对运用四种优化算法所得的Pareto最优解集运用标准边界交叉法进行搜索半径寻优,将所得最优解数据组带入吸能盒模型,比较优化后吸能盒、NPR吸能盒、传统吸能盒三者的碰撞指标表现,并将三组不同类型吸能盒放入整车模型进行B柱加速度指标验证。本文将负泊松比结构以及功能梯度设置引入吸能盒的设计之中,研究结果可对汽车吸能盒系统的开发与探索提供一定的理论参考与支持。

关键词： 梯度泡沫铝   吸能特性   准静态压缩   落锤冲击   变形模式  

摘要： 梯度泡沫铝是一种密度(或孔径、壁厚、材质)沿某一方向呈阶梯变化的新型结构功能一体化材料,可应用于航空航天、汽车、建筑等领域。以纯铝为基体材料的泡沫孔壁强度较低,限制了其在工程上的应用,可通过添加增强相的方法进行改善。本文首次将具有优异力学性能的碳纳米管(CNTs)增强相与梯度泡沫结合,制备成分梯度泡沫铝材料,并对多种类型的梯度泡沫铝在静动载荷下的力学与吸能特性开展系统的研究。本文的主要研究内容与结果如下:采用填加造孔剂结合层间预压的方法成功制备了一体成型的密度梯度泡沫铝,研究了其在准静态压缩和落锤冲击下的力学响应和吸能性能。结果表明:在准静态压缩和低速冲击下,压缩方向和密度层的排列顺序对梯度泡沫铝的压缩性能和吸能性能影响很小。采用填加造孔剂结合层间预压的方法成功制备了一体成型的成分梯度泡沫铝,研究CNTs含量、环境温度(25～250℃)对其压缩吸能性能的影响。结果表明:在准静态压缩试验中,成分梯度泡沫铝的吸能性能在应变较小时优于纯铝泡沫,在应变较大时优于均匀复合泡沫;当下层复合泡沫的CNTs的含量小于3 wt%时,CNTs含量对于成分梯度泡沫铝的压缩吸能性能影响很小;高温对成分梯度复合泡沫的具有软化作用,其压缩吸能性能会随着环境温度的升高而下降。在低速冲击下,成分梯度泡沫可避免在冲击下产生瞬间过高的载荷,并保持较小且稳定的峰值载荷,有利于作为冲击防护材料;成分梯度复合泡沫的吸能会随着下层复合泡沫中CNTs含量的增加而减小。结合高分辨率摄像机研究两种梯度泡沫铝的变形行为,结果表明:梯度泡沫铝具有逐层压缩变形的特点,密度梯度泡沫铝从密度最小层开始变形,而成分梯度泡沫铝的强度最低层优先开始变形。

关键词： 夹芯结构   金字塔点阵   三维双箭头负泊松比结构   梯度配置   抗冲吸能  

摘要： 复合材料夹芯结构具有轻质、比刚度大、比强度高等优异特性,广泛应用于航空航天、船舶海洋、车辆交通、生物医学等领域。与传统的夹芯结构相比,新型点阵夹芯结构和有序多孔三维负泊松比结构具有相对密度小、孔隙率大、变形可控、可设计性强,在缓冲吸能、抗爆减振等诸多工程方面具有广泛的应用前景。与此同时,通过仿生梯度设计制备人工材料的思想在新材料的设计和研究中也受到极大关注,结构梯度的连续变化能够有效降低界面应力,最大程度发挥各芯层的优点,从而提高结构的极限强度和能量吸收能力。然而将两者有机结合,使其优势相得益彰,从而有效提高结构综合力学性能的研究还比较少。基于上述背景,本文设计并制备了混杂多层梯度点阵夹芯结构和三维梯度双箭头负泊松比结构,系统研究了结构在准静态平压和动态冲击下的力学响应,采用理论分析、数值模拟和试验表征相结合的方法揭示几何参数、拓扑构型、梯度配置、填充材料和冲击速度对结构抗冲吸能特性的影响规律。研究工作主要包含以下内容:首先,基于混杂设计思想,采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维复合材料面板、铝合金点阵芯子的混杂单层点阵夹芯结构,通过数值模拟结合试验验证的方法研究结构在准静态平压和动态冲击作用下的变形机理、失效模式和吸能特性,揭示了芯子相对密度对结构抗压强度和能量吸收效率的影响规律。结果表明,芯子相对密度越大,结构抗压强度越高,能量吸收效率越好。其次,基于仿生梯度设计思想,设计制备了多种不同规格的混杂多层梯度点阵夹芯结构,通过准静态平压和动态冲击试验研究了结构的静动态力学行为,基于三维Hashin失效准则和Johnson-Cook模型,建立了混杂梯度点阵夹芯结构的有限元模型,给出了芯子相对密度、梯度设计和填充材料等因素对结构变形机理、失效模式、抗压强度和能量吸收效率的影响规律。结果发现,填充聚氨酯泡沫的混杂多层梯度点阵夹芯结构抗压强度不再是未填充和纯泡沫的线性叠加,而是大于两者之和;数值模拟与试验结果吻合较好,验证了数值模型的准确性,为后续仿真分析复合材料在动态冲击下的力学响应提供借鉴。最后,基于二维双箭头负泊松比结构,设计了增强型三维梯度双箭头负泊松比结构,并采用增材制造技术实现了不同尺寸结构的制备。基于力法正则方程和摩尔定理推导出结构的宏观泊松比和弹性模量,采用试验表征和数值模拟相结合的方法系统研究了结构的准静态平压和动态冲击特性,阐明了梯度设计和冲击速度等参数对结构变形机理、失效模式、抗压强度和能量吸收效率的影响规律。

关键词： 三重周期最小曲面结构   增材制造   镍钛合金   功能梯度   分级吸能  

摘要： 三重周期最小曲面结构(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)是壳结构中的杰出代表,与以往常见的结构如桁架结构、栅格结构以及折纸结构相比,凭借自身的光滑外壳表面很好地避免了应力集中的问题。再加上结构内部具有较大的空间,TPMS结构近年来在高强度轻质材料和吸能材料领域备受关注。得益于增材制造技术的快速发展,使得制备TPMS这种复杂小巧的多孔结构得以实现。有关金属TPMS结构的力学行为和吸能特征的相关研究是力学和材料科学领域的一个研究热点。普通弹塑性金属TPMS结构的变形过程分为三个部分,第一为弹性变形阶段,第二为应力平台阶段,也是结构吸能的主要变形阶段,最后是密实阶段,故整个变形过程表现为单级吸能特征。许多学者展开了TPMS结构的功能梯度结构设计和研究,试图改变TPMS结构的变形机制和力学性能。但目前文献报道的TPMS结构的梯度设计并未能使其在吸能方面得到显著改善或实现功能方面的梯度特性。结构的多级吸能是指具有两个或两个以上的应力平台,可实现分级变形和多级保护为一体的特殊变形机制,这种设计和相关力学研究在文献中未见报道。本文通过对TPMS结构晶包壁厚的梯度设计以及利用马氏体相变材料的特殊变形机制来实现结构的分级变形和吸能,并利用选区激光熔融法(Selective Laser Melting,SLM)技术制备功能梯度的TPMS结构,并详细研究其力学性能和吸能表现。我们对两种类型的TPMS结构,即P(Primitive)曲面和G(Gyroid)曲面,进行了梯度设计和力学性能研究,主要的研究发现有:(1)通过有限元软件以316L不锈钢为本构关系对均厚的TPMS全尺寸模型进行准静态压缩力学模拟,仿真结果显示P曲面对局部变形和失稳敏感,而G曲面的均匀变形和应变硬化更为显著。而且在相对密度相同的条件下,G曲面的吸能要明显优于P曲面。(2)通过有限元软件以316L不锈钢材料为本构关系对具有壁厚梯度的TPMS全尺寸模型进行准静态压缩力学模拟,发现通过调控不同层的晶胞壁厚及通过添加阻隔层的结构设计,可有效地打破原有的双剪切带区域的应力集中现象,并展现出独特的分级吸能的力学行为。对应的压缩实验结果所显示的力学行为与仿真结果基本吻合,实现了316L不锈钢的双级吸能特性,并可调控第二级吸能的平台应力在60MPa-100MPa的范围内变化,两级应力平台的长度比由2/5变化至5/2,两级吸能总量的比由1/4变化至1/2。(3)均匀壁厚的镍钛合金TPMS曲面的力学行为对壁厚敏感,随着壁厚的增加,P曲面和G曲面的强度和塑性都表现出显著提升的趋势。在P曲面中,随着壁厚从0.3mm增加至0.55mm,其断裂强度从88MPa提升至364MPa,塑性从14.07%提升至16.08%;在G曲面中,随着壁厚从0.3mm增加至0.55mm,其断裂强度从278MPa提升至832MPa,塑性从20.48%提升至28.48%。G曲面的塑性明显好于P曲面,这是由于G曲面不会像P曲面一样在压缩过程中发生严重的局部弯曲,故整体的变形能力更强。(4)均匀壁厚的镍钛合金TPMS曲面在压缩实验过程中出现了分级变形和吸能特征,第一级吸能是由于应力诱发马氏体相变所致,第二级吸能是由于马氏体的屈服和塑性变形所致。在循环压缩过程中镍钛合金TPMS结构呈现出少量的超弹性,这是由于所制备的镍钛合金相变温度特征所致,卸载时逆相变不能充分实现。(5)镍钛合金样品的性能表现与316L样品相比相差很多,例如镍钛合金样品G6相对密度为78.19%时,其吸能为31.12 J/g,低于相对密度为25.95%的316L不锈钢样品Gra-G2的吸能32.11 J/g。且相对密度为60%的镍钛合金P6吸能8.95J/g远远低于316L不锈钢样品Gra-P7的吸能22.28 J/g。这是由于3D打印的镍钛合金的脆性特性导致的。

关键词： 折纹管   能量吸收   准静态压缩   有限元   梯度型刚度  

摘要： 薄壁管是一种常见的吸能结构,在薄壁管中引入折纹可以诱导薄壁管发生变形,有效降低薄壁管屈曲的初始峰值力并提高其能量吸收。目前,大部分折纹管受到轴向压缩时,初始峰值力后的压溃力下降显著,降低了折纹管的吸能性能。为有效提高折纹管的吸能性能,并降低折纹管的初始峰值力,在方管中引入不同形式的折纹得到折叠收缩管,利用ABAQUS/Explicit模拟设计折叠收缩管的准静态压缩,得到其变形及力与位移曲线。结果显示,与传统方管和菱形折纹管相比,折叠收缩管的初始峰值力显著降低,且压溃力随着压缩距离的增加呈梯度上升趋势,大幅提升了薄壁管的能量吸收性能。另外,系统研究了折叠收缩管的几何参数对其性能的影响,获得了性能优异的折纹管。

关键词： 拓扑优化   梯度结构   吸能特性   承载特性  

摘要： 理想的碰撞吸能结构在吸收碰撞能量的同时应具备一定的承载能力,更好地保护人员及设备安全,而现有方法一般仅从宏观或细观单一角度进行碰撞吸能结构设计,不能很好地兼顾吸能和承载需求。构型呈梯度变化的梯度结构具有很好的碰撞吸能特性,故本文利用宏细观一体化设计思想,从宏观结构和单胞构型的两个方面出发,以结构刚度表征承载特性,负泊松比表征吸能特性,提出了兼具吸能和承载特性的梯度结构宏细观跨尺度拓扑优化方法。在宏观尺度,基于功能梯度及聚类分析思想,研究出具有刚度梯度特性的结构宏观区域划分优化方法;在细观尺度,基于能量均匀化理论建立了以结构刚度和负泊松比为目标函数的多目标拓扑优化模型。对优化得到的结构吸能与承载特性进行测试与分析,结果验证了所提出的方法能够有效地应用于防撞结构设计。

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,提出一种防冲支架用变梯度薄壁圆筒吸能防冲构件,设计变梯度薄壁圆筒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其进行冲击压溃模拟仿真,并分析各相关吸能防冲性能参数,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9.3%~178%;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ZQ6000/26/36两柱单导杆式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： 碳纤维复合材料   厚度梯度薄壁圆管   轴向准静态压缩   比吸能   响应面模型  

摘要： 随着社会发展,人们的生活条件越来越好,为了出行方便越来越多的人购买汽车,而汽车事故如碰撞起火等安全性问题也随之增加,因此便要求研究人员要重点关注汽车碰撞安全问题。与此同时,环境污染和能源短缺等问题也越来越严重,而轻量化是减少消耗和降低排放的重要手段,汽车重量的减小能够有效的保护能源缓解能源危机并同时减少环境污染,对于可持续发展具有重要意义。使用具有优良吸能性能且密度较小的新型材料来设计一些新型结构能够有效的提高汽车安全性和实现汽车轻量化。复合材料因具有高比吸能和高比强度等优点而得到迅速发展,被广泛的应用于各个行业,在许多工程领域都发挥了重要作用,在某些部位使用复合材料代替传统金属材料,既能降低结构的重量还使结构的安全性能得到了保障。因此,对复合材料结构的耐撞性进行探究是学者们必须要进行的,在各式各样的复合材料中,碳纤维材料力学性能突出,在重量强度方面有不可比拟的优势,制作工艺较为简单能够轻松的制作出所需的结构,受到了广大厂商以及研究人员的青睐,是汽车轻量化材料中最有发展前景的。本文提出一种新型的厚度梯度碳纤维薄壁结构,在轴向方向分为3段,每段长度相等,厚度从小到大逐级增加,探究该结构的吸能性能并进行优化,研究内容如下:1)介绍课题背景,说明了汽车轻量化的意义和必要性,简述了薄壁材料的吸能特性,介绍了国内外的研究现状。简介了有限元理论以及有限元算法的相关知识。2)介绍了复合材料的特点性质,包括碳纤维材料优点以及力学失效准则,对比介绍碳纤维圆管与金属圆管沿轴向压缩的变形模式和失效机理。介绍了碳纤维产品的常见制作工艺以及本文样件的制作方法。3)对梯度碳纤维管和均厚碳纤维管进行准静态压缩试验,对比两种结构的压缩结果,分析厚度梯度碳纤维薄壁圆管的吸能特性。得出以下结论:在压缩过程中,碳纤维梯度管分层吸能,更充分有效。虽然均厚管吸收的总能量更高,但其质量也更大,最终比吸能反而小于梯度管。对比梯度管和均厚管的力位移曲线发现梯度管厚度逐级增加的特性使得其安全性能更高。4)为了减少实验成本并缩短研究时间,实验完成后利用Ls-dyna软件仿真模拟碳纤维厚度梯度薄壁圆管准静态压缩实验,在LS-DYNA中使用MAT-54材料,根据实验结果调整仿真材料参数,使仿真结果和实验结果较为近似,而后使用该参数进行碰撞仿真,证明该结构能够有效吸能。为了进一步探讨梯度管的失效机理,将梯度管第二段和第三段的厚度进行调换,对仿真结果分析发现调换位置后的梯度管对乘员有更好的保护作用。5)仿真参数调整完成后,以圆管的壁厚为设计变量,以吸能最大和质量最小作为优化目标,使用响应面模型进行优化设计寻找吸能更优的结构,优化计算完成后选取Pareto曲线上的一点与有限元仿真结果进行对比验证。

关键词： 两种方向   均匀蜂窝   梯度厚度   变形模式   动力响应   吸能效率  

摘要： 多胞金属以自身的轻质高强和吸能隔音隔热等优良特性,已广泛应用于碰撞吸能防护装置以及航空航天等领域,其典型代表就是均匀蜂窝铝材料。随着该研究领域的深入化和工程界的多元化需求,单一均匀的蜂窝材料难以满足更高的使用要求,梯度多孔材料逐渐兴起,为的是能得到低应力峰值和长平台区段的理想化蜂窝材料。本文首先利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了均匀蜂窝铝材料模型,并验证了模型的可靠性,随后模拟了两种速度下两种类型的蜂窝铝材料面内的变形和吸能情况。为了更直观了解其变形和吸能机理,另建立了单胞元蜂窝有限元模型做对比,得出结论:均匀蜂窝材料的吸能效果随着冲击速度增大而提高,且相同速度对比下,单胞元X1方向吸能更好,而蜂窝组合结构下X2方向吸能要好。基于前面提到的均匀蜂窝模型,再次通过改变三种壁厚的排列组合方式来实现梯度化,研究了不同速度不同厚度组合下的变形模式、冲击端动力响应和固定端动力响应,并引入相对密度变化绝对值的概念来解释应力峰值的大小变化规律,且比较了几种模型对应的平台长度。最后通过有限元和传统理论方式综合比较出不同速度不同厚度组合下的几种蜂窝试件的吸能效率。最后得出结论:梯度蜂窝吸能综合性能较均匀蜂窝要更好,且随着速度增加吸能效率增加,同一种厚度梯度排列下X1方向吸能效果更理想。两种方向在高速冲击下吸能都会分为两个阶段,前半程是S321吸能效率最优,当压缩过程达到接近百分之60时会出现一个转折点,该点之后S213的能量吸收效率变为最高。为梯度蜂窝材料设计以及吸能优化设计提供一些参考。图[44]表[4]参[86]