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： Energy absorption   Density graded foam   Voronoi structure   Numerical analysis   Blast mitigation  

摘要： A numerical approach is carried out to investigate the energy absorption efficiency of density graded aluminium foam. Effects of blast load impact velocity, loading duration and sample thickness on the input energy density and output energy density of the graded foam are investigated. The stochastic meso-scale aluminium foam structure is generated by adopting a 2D Voronoi technique and the commercial software ANSYS/LS-DYNA is used for the FE modelling. Parametric study shows that the density graded aluminium foam is effective in improving energy absorption capability while keeping a lower stress transmitted to the substrate or the protected structure if it is properly designed.

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。

关键词： 多孔铝合金   梯度孔径   压缩屈服强度   能量吸收  

摘要： 采用渗流法制备了具有梯度孔径结构的多孔铝合金,通过压缩试验对具有不同相对密度的多孔铝合金的压缩屈服强度及能量吸收性能进行了研究。结果表明:梯度孔径多孔铝合金的压缩应力-应变曲线包含两个阶段,即弹性变形阶段和塑性屈服阶段;其压缩屈服强度与Ashby-Gibson模型吻合良好;此多孔铝合金的压缩屈服强度、能量吸收能力均随相对密度的增加而提高。