关键词：
车身耐撞性
多孔材料
随机蜂窝
力学与吸能特性
夹芯结构
多目标优化
摘要：
汽车工业迅速发展导致的环境和安全问题日益凸显,开发可提高车身轻量化和耐撞性的先进轻质吸能材料已成为研究热点。蜂窝材料具有应力波动平稳等优异力学特性以及良好的能量吸收性能,在提升汽车的轻量化水平以及耐撞性能方面具有广泛的应用前景。因此,本文基于Voronoi图形和3D打印技术开展了随机蜂窝材料的建模与制备,首先,开展了在单轴加载下,随机蜂窝材料细观结构特性与基体材料应变率效应的解耦研究,构建了考虑惯性效应与基材应变率效应的1D冲击波模型,进而,开展了压缩剪切复合加载下,随机蜂窝材料细观结构对其屈服特性的影响研究,构建了唯象屈服准则,最后,提出了可应用于汽车保险杠系统防撞梁的随机蜂窝夹芯结构,对其开展了耐撞性研究与多目标优化设计。本文依托国家重点研发计划项目(2021YFB2501705)对随机蜂窝材料的力学特性及其车身夹芯结构耐撞性展开相关研究,主要研究内容如下:
(1)随机蜂窝材料单轴压缩下力学特性研究。基于万能试验机开展了准静态压缩试验,试验结果表明相比于规则蜂窝,随机蜂窝因其变形模式更加均匀,而表现出更平缓的应力-应变曲线。基于分离式霍普金森杆确定了准确的基体材料模型,并构建了随机蜂窝材料有限元模型,采用数值仿真的手段确定了随机蜂窝材料在动态加载下的变形模式与临界速度,研究结果表明随着胞元尺寸和壁厚的增加,以及基体材料应变率敏感时,第二临界速度增加。进行了惯性效应和基材应变率效应的解耦研究,研究结果表明动态应力增强在随机和冲击模式中分别由基材的应变率效应和惯性效应主导,构建了考虑惯性效应和基体材料应变率效应的随机蜂窝材料1D冲击波模型,可以准确地预报随机蜂窝材料的动态平台应力。
(2)随机蜂窝材料压缩剪切下的力学特性研究。基于万能试验机与三向力传感器,设计了随机蜂窝材料压缩-剪切复合加载夹具,并开展了加载路径及细观结构参数对其屈服特性的影响研究,结果表明相对密度一致时胞元尺寸的减小会降低法向和切向应力,加载角度的增大使得切向应力增大,法向应力减小。进而,开展了动态压缩-剪切复合加载数值仿真,确定了变形模式,结果表明不同变形模式下加载角度对胞壁细观变形模式产生不同的影响,过渡模式下,加载角度的增大会使部分胞壁的细观变形模式由塑性弯曲向塑性铰变化,而冲击模式下,加载角度变化不会改变胞壁变形模式。随后,基于仿真与试验数据,进行了加载角度和加载速度对屈服应力的敏感性分析,结果表明法向屈服应力主要受加载速度的影响,对于切向应力,加载角度和加载速度均对其产生较大的影响。最后,建立了随机蜂窝材料的唯象屈服准则。
(3)随机蜂窝材料夹芯结构耐撞性研究。面向汽车保险杠系统中的防撞梁,设计了随机蜂窝夹芯结构,建立了有限元模型,开展了随机蜂窝夹芯结构的三点弯曲加载数值仿真,并进行了试验验证。仿真结果表明,正梯度的引入会改变随机蜂窝夹芯结构的变形模式,同时吸能指标提高。基于非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II)模型,对正梯度随机蜂窝夹芯结构进行多目标优化,确定具有最佳吸能特性的细观结构参数,相比于未进行优化设计的均匀随机蜂窝夹芯结构,得到的优化结果比吸能提高了33.9%。
本文采用理论、数值和试验相结合的手段,对3D打印随机蜂窝材料在动静态单轴/压缩剪切复合加载下的力学特性进行了研究,并面向汽车防撞梁设计了梯度蜂窝夹芯结构,进行了多目标优化设计,本文的研究工作可以指导蜂窝材料在车身吸能结构中的进一步应用。
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