关键词： 薄壁结构   轴向冲击   梯度厚度   能量吸收   压溃模式  

摘要： 梯度厚度和多折角设计是提升薄壁结构吸能效率的两种有效策略,将这两种策略联合,提出了具有双面梯度厚度的多角薄壁结构(包括方管和非凸多角管),并对其在轴向冲击下的力学行特性进行了理论分析,推导了该结构的平均撞击力理论模型。基于显示非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对该结构进行了仿真实验研究,且仿真实验结果与理论预测值有较好的一致性。实验结果表明:增加折角数和提升厚度梯度均可有效提升管件的吸能效率。作为梯度厚度策略与多角薄壁结构的联合,具有双面梯度厚度的非凸多角管相比传统均匀厚度的方管在比吸能上提高148%~205%,充分展现了这种联合策略在提升薄壁结构耐撞性方面的高效性。

关键词： 芯体截面梯度变化点阵夹层结构   点阵夹层结构   吸能特性   压缩载荷  

摘要： 应用有限元分析方法,对芯杆直径沿点阵夹层结构厚度方向梯度变化的点阵夹层结构平压性能进行了分析,并将计算结果与传统点阵夹层结构进行了对比。结果表明:通过比较极限承载力计算模型和有限元分析结果其最大误差为8.9%,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构极限承载力小于传统点阵夹层结构。芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率要优于传统点阵夹层结构,且当梯度化系数为0.05时,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率达到最大值。

关键词： 汽车吸能盒   点阵结构   负泊松比效应   梯度优化设计  

摘要： 随着我国汽车行业的飞速发展，节能、环保、安全已经成为汽车工业发展的三大主题，增材制造技术(3D打印)的发展，给汽车的结构设计提供了新思路，更多复杂的结构在制造工艺上得以实现。　　汽车的保险杠系统是汽车在发生正面碰撞时的主要吸能结构，吸能盒是保险杠系统中的重要组成元件。吸能盒作为吸能部件，需要具有良好的力学特性和吸能性能。点阵结构是一种具有周期性排列的多胞结构，具有多孔性，因此其具有轻质的特性。点阵结构是由一系列相同的代表性单元构成，其整体性能与代表性单元的几何结构有着紧密的联系。而负泊松比结构,又名拉胀结构，在受到压缩作用时，横向出现收缩现象，受到拉伸作用时，出现横向膨胀现象，该现象被称为负泊松比效应。具有负泊松比效应的结构通常具有良好的抗压能力和结构韧性。　　本文基于内凹产生负泊松比效应的机理，提出了一种新型的具有负泊松比效应的点阵结构，该结构结合了点阵结构和负泊松比结构的优良特性，具有良好的力学性能。基于该结构，本文提出了三种加强点阵结构。利用仿真技术研究了梯度点阵结构的力学特性，并通过金属增材制造技术制造了样品，进行了试验研究。在此基础上，提出了一种基于梯度点阵结构的新型吸能盒。以某款车为例，通过结构优化设计和仿真，提高了车辆正面碰撞的整车安全性。　　本文通过对结构进行参数化分析，对比了四种负泊松比点阵结构的力学特性，得到了综合表现最优的一种结构，即TypeC。基于该点阵结构进行了吸能盒设计，研究了均匀点阵结构的压缩力学特性与杆截面半径之间的关系，结果表明当杆截面半径小于1mm时，随着杆截面半径的增大，压缩载荷增大且吸能效率提高。　　针对均匀点阵结构初始峰值载荷较大的问题，本文对点阵结构进行了梯度设计，通过改变各层结构的杆截面半径得到不同的梯度分布，研究了不同形式的梯度分布对于结构压缩力学性能的影响。通过对比分析后选取了性能更优的正梯度型结构，并采用DOE、近似模型和现代优化算法相结合的方法对梯度结构进行了进一步的优化，得到了最优的梯度结构。将优化得到的梯度点阵结构应用于整车正面100%刚性壁障碰撞中，并与传统薄壁结构吸能盒的车辆碰撞安全性进行了对比。结果表明，均匀点阵结构吸能盒性能优于传统吸能盒，而梯度点阵结构吸能盒比均匀点阵结构吸能盒性能更好。　　最后，本文总结了点阵结构的力学特性与几何结构之间的关系，为汽车吸能结构的新型设计提供了思路，并对进一步工作的方向做了讨论。

关键词： 闭孔泡沫铝   动态压缩   塑性波   细观有限元模型   梯度多孔材料  

摘要： 基于闭孔泡沫铝的显微CT扫描信息,考虑胞孔的不规则形貌及胞孔分布的不均匀性,以及胞孔尺寸和壁厚沿泡沫高度的梯度分布,建立了梯度泡沫金属材料的二维细观有限元模型,分析了梯度泡沫金属材料在动态压缩过程中的变形、塑性波的传播和能量变化特征。对于平均相对密度0.3、平均梯度系数0.4的梯度泡沫铝,低速(10 m/s)加载时,梯度泡沫金属在变形的整个过程中吸收的总能量均低于均匀泡沫金属;高速加载时,梯度泡沫金属沿负梯度方向压缩的早期吸能比均匀泡沫金属有优势,而且速度越高,优势越明显。

关键词： 汽车材料   耐撞性   功能密度梯度泡沫铝   泡沫铝填充锥形管   试验研究和数值研究  

摘要： 为研究功能密度梯度泡沫铝填充薄壁锥形结构在汽车吸能盒上应用的可行性,对锥形泡沫铝、铝合金薄壁结构、泡沫铝填充薄壁结构,进行了单轴准静态压缩试验及数值仿真分析。取得了对功能密度梯度泡沫铝的密度变化梯度和泡沫铝填充薄壁结构的接触面的数值建模的实用性经验。对比试样的变形模式、载荷—位移曲线、吸能量(AE)和比吸能量(SAE)。结果表明,在准静态压缩工况下,截面形状对锥形泡沫铝试样和泡沫铝填充薄壁结构试样的吸能性能影响不大;锥形泡沫铝填充薄壁结构的吸能性能优于对泡沫铝和铝合金薄壁结构的叠加吸能。

关键词： 多胞结构   厚度梯度   轴向冲击   耐撞性  

摘要： 研究了壁厚成线性梯度变化的多胞薄壁管结构在轴向冲击载荷作用下的耐撞性。采用了有限元方法构建梯度多胞结构数值计算模型,并以试验验证了其有效性,最后以碰撞峰值力和比吸能为评价指标,分析了梯度变化和平均壁厚对梯度五胞薄壁结构的耐撞性能影响。结果表明,相比于等厚多胞结构,厚度梯度为正时的梯度多胞结构在轴向冲击载荷作用下的耐撞性得到明显的进一步提高。因此,在给定结构质量的条件下,通过合理分布材料,使得多胞结构截面侧壁厚度呈线性梯度变化,可以进一步改善多胞薄壁结构碰撞吸能特性。

关键词： 蜂窝材料   梯度指数   比吸能   压缩力效率  

摘要： 蜂窝材料具有优异的抗冲击吸能特性.为进一步提高蜂窝材料的比吸能与压缩力效率,提出了一种几何参数或材料参数沿厚度方向梯度渐变的蜂窝材料模型,并针对六边形蜂窝构型研究了胞元壁厚和屈服强度梯度变化的蜂窝材料在面外动态压缩载荷下的力学行为与吸能特性.研究结果表明,通过调控梯度变化的指数,胞元壁厚或母体材料屈服强度的梯度设计均可有效降低初始峰值应力,并使蜂窝材料的比吸能和压缩力效率同时增大.研究结果可为蜂窝材料的防撞性优化设计提供新的思路.

关键词： 功能梯度泡沫   功能梯度管壁   薄壁结构   防撞性   多目标优化设计   多种加载条件  

摘要： 能源压力和环境恶化迫使汽车行业实行车身轻量化,以减轻车身质量、减少能源的消耗和尾气排放。为了不在车身轻量化中降低车辆原有的性能,一种将车身零件功能梯度化的思想被提了出来,它通过提高材料利用率来实现在降低质量的同时提升性能。汽车吸能器是保证车辆被动安全的重要部件,在发生碰撞事故时吸能器通过变形吸收大部分能量来保护乘客安全。功能梯度泡沫(FGF,Functionally Graded Foam)和功能梯度管壁(FGW,Functionally Graded Wall)都是根据功能梯度化思想设计出的新奇结构,前者是泡沫密度功能梯度化,后者是管壁厚度功能梯度化。近期研究表明它们在轴向加载下有很好的吸能性能,因而获得广泛的关注。然而,在现实中吸能器不会只承受轴向加载。尤其在真实的交通事故中,它在大多情况下都要承受一定的倾斜加载。本文旨在研究FGF-UW(Functionally Graded Foam-Filled Uniform Wall)方管和UF-FGW(Uniform Foam-Filled Functionally Graded Wall)圆管在多种加载方式下的防撞性。FGF-UW方管内填充的FGF,其密度在轴向由幂指数n来控制变化。数值分析结果表明在多种加载方式下的FGF-UW方管比对应的UF-UW(Uniform Foam-Filled Uniform Wall)方管有更好的防撞性,并且参数n对FGF-UW方管的防撞性能影响很大。UF-FGW圆管的管壁是FGW,由幂指数m控制,在轴向变化。数值分析结果表明在多种加载方式下的UF-FGW圆管比对应的其他三种配置的圆管有更好的防撞性,并且参数m和厚度范围对UF-FGW圆管的防撞性影响很大。为了得到在特定加载下有最优的防撞性的FGF-UW方管,应用了基于非支配排序的多目标优化算法(NSGA-II)来寻找最优的梯度。其中,应用了RBF这种近似模型方法来建立SEA(Specific Energy Absorption)和IPF(Initial Peak Force)的近似模型。优化结果表明不同冲击角度下的优化结果不同。所以,为了增加稳健性,实施了一种综合多种加载角的多目标优化设计。优化的结果进一步表明了FGF-UW方管相比UF-UW方管有更好的防撞性。所以FGF-UW方管被推荐为一种有潜力的吸能器。然后同样地,使用RBF近似模型和NSGA-II,进行综合多种加载角的多目标优化设计,来对UF-FGW圆管进行优化,优化的结果表明了UFFGW圆管相比其他对应配置的吸能结构有更好的耐撞性。所以优化后的UF-FGW圆管也是一种有更好效果的吸能器。

关键词： 功能密度梯度泡沫铝(FGF)   泡沫铝填充锥形管   汽车耐撞性   试验和数值仿真研究  

摘要： 功能密度梯度泡沫铝填充锥形薄壁结构是汽车低速碰撞保护中极具应用前景的吸能缓冲结构,为了更好地在受力条件复杂的汽车碰撞中设计和优化泡沫铝填充锥形薄壁结构,进行单轴压缩状态下功能密度泡沫铝填充锥形薄壁结构的试验,并观察其变形模式和吸能机理,同时得到准确的有限元模型是十分必要的;从另一个方面考虑,由于在泡沫铝产品中观察到天然存在的在重力方向上的密度变化,因此,在将泡沫铝应用到汽车吸能结构时,必须充分考虑泡沫铝在重力方向上的密度变化特性对仿真建模的影响以得到准确的有限元模型。为了更好地理解功能密度泡沫铝填充锥形薄壁结构的吸能性能,为设计和优化泡沫铝吸能结构提供直观的依据,本文通过试验观察和仿真分析,对比了截面形状为四边形和六边形的功能密度泡沫铝椎体、铝合金薄壁锥形结构、泡沫铝填充锥形薄壁结构,在单轴准静态压缩工况下的吸能性能。对比项目包括各结构的变形模式、载荷-位移曲线、总吸能量(Absorbed Energy,AE)和比吸能(Specific Absorbed Energy,SAE)。本文使用通用有限元计算程序LS-DYNA进行仿真分析,仿真中的材料模型参数均由其标准材料性能测试试验的结果中拟合提取,其中泡沫铝的材料模型使用的是Deshpande&Fleck泡沫材料模型(2000),即LS-DYNA材料卡片MAT54。本文还使用了Hanssen等(2002)提出的泡沫铝密度模型对本文中使用的泡沫铝材料进行描述,该模型使用泡沫铝三个及以上密度的材料性能参数作为拟合值,得到描述任意密度下材料性能参数的函数。在建立泡沫铝椎体有限元模型时,由于泡沫铝椎体试样的密度分布和变化规律不可知,本文展示了得到准确仿真分析结果的实践性方法和在特定密度变化梯度下不同的建模方法对有限元模型精度的影响。同时为了增强各结构的仿真结果的对比性,在保证仿真精度的前提下,本文在仿真分析中对不同截面形状的泡沫铝椎体模型进行了相同的设置。通过对比各结构的试验和仿真分析变形模式和吸能性能评价参数,本文发现,在单轴准静态压缩工况下,截面形状对泡沫铝椎体和泡沫铝填充锥形薄壁结构的吸能性能影响不大;此外,泡沫铝填充锥形薄壁结构的吸能能力优于单独压缩泡沫铝椎体和薄壁锥形结构的吸能能力的数值和。对具有密度变化的泡沫铝椎体试样建立有限元模型时发现,对泡沫铝椎体的密度分布进行仿真时需要综合考虑泡沫铝标定试验的试样尺寸和密度变化梯度及泡沫铝椎体试样的几何尺寸。

关键词： 复合材料   吸能   弹道冲击   剩余强度  

摘要： 为探讨由SW100/5228A玻璃纤维编织(GFRP)层板与CCF-1/5228A碳纤维复合材料(CFRP)层板以不同比例组成的功能梯度板的吸能性能,用重量80g直径23mm的弹丸对六种比例组成的功能梯度板进行了速度约70m/s的弹道试验。对弹击后的试样进行了损伤分析和剩余强度试验,通过C扫描发现,大面积损伤往往发生在中间层。随着玻璃纤维编织层厚度比例的增加,梯度板的吸能性能有所提高。通过对比背板变形发现,玻璃板厚度比例占5%的功能梯度板适合做结构的防弹装甲板材,而占30%比例的功能梯度板更适合作为人体防护板。