輕質薄壁結構耐撞性分析與設計優(yōu)化.pdf

1、輕質薄壁吸能結構廣泛應用于汽車、船舶、航空航天等各個領域，作為發(fā)生碰撞等突發(fā)事件時耗散沖擊動能的主要構件。設計出輕質高效并具有良好耐撞性能的薄壁吸能構件對于保障人民生命和財產安全、節(jié)約能源、促進環(huán)保等方面具有重大的實際意義。本文圍繞提高輕質金屬薄壁結構的耐撞性和能量吸收性能展開了一系列的研究工作。在深刻理解變形模式與能量吸收之間關系的基礎上，本文提出了多個性能優(yōu)異的新型結構形式，并對這些新型結構的能量吸收性能進行了分析研究和優(yōu)化設計。采

2、用合理的理論分析模型、可靠的數(shù)值模擬技術和適當?shù)膬?yōu)化設計方法是本文的主要研究手段。具體研究內容如下： 1.基于圓管的自由翻轉提出了一類新型的能量吸收裝置一可收縮管(retractable)。這種新型結構可以克服兩類傳統(tǒng)圓管翻轉的缺點，在不需要夾具或模具情況下能保持較長的有效壓縮距離，具有良好的能量吸收性能。采用顯式有限元技術對軸向壓縮下可收縮管的翻轉過程進行了數(shù)值模擬，并對其能量吸收特性進行了研究；通過與傳統(tǒng)圓管的對比研究表明可

3、收縮管的總體吸能效率顯著高于相應的普通圓管，在實際工程中有著良好的應用前景；對兩類可收縮管進行了參數(shù)化研究，分析了結構幾何參數(shù)對能量吸收性能的影響；對多節(jié)可收縮管進行了算例分析，驗證了多節(jié)可收縮管的可行性，并表明多節(jié)可收縮管可具有更好的能量吸收性能。 (具體內容見第二章)。 2.提出了改善薄壁結構能量吸收性能的一種新方法--在結構中引入圖案。從控制和改變軸向壓縮下方管的變形模式著手，引入了兩種圖案類型：圖案類型A著眼于引導方管發(fā)

4、生延展性變形模式，圖案類型B則旨在誘發(fā)吸收能量更多的新的變形模式。研究結果表明本文所引入的兩類圖案類型都達到了預期的作用，顯著改善和提高了薄壁方管的能量吸收性能；通過采用不同的圖案配置和不同的結構尺寸，分析了它們對兩類圖案的作用的影響；采用試驗研究手段，對引入圖案對薄壁結構的影響進行了定性分析。 (具體內容見第三章)。 3.基于簡化的超折疊單元理論，對軸向壓縮下多胞方管的能量吸收進行了理論預測；通過將多胞管截面分為三個部分：角形

5、部分、十字形部分和T形部分，分別考慮每個部分所耗散的能量，推導了多胞管的平均載荷預測公式；采用數(shù)值方法對鋁合金多胞方管進行了動態(tài)軸向壓縮模擬，通過對比分析表明本文的平均載荷理論預測結果與數(shù)值結果吻合良好。對一組具有相同質量和截面寬度而多胞形式不同的多胞方管進行了分析，研究了單胞的個數(shù)(尺寸)對多胞方管的能量吸收效率的影響；引入了一種預壓初始缺陷，并發(fā)現(xiàn)這種初始缺陷能有效消除多胞管的初始峰值載荷。(具體內容見第四章)。 4.采用單

6、一材料一鋁作為結構材料條件下，對泡沫填充方管和多胞方管的能量吸收性能進行了對比研究。在軸向和橫向加載條件下分別對不同截面尺寸的泡沫填充管和多胞管進行了數(shù)值模擬，這些用于對比的泡沫填充管和多胞管具有相同的質量；研究結果表明不論是在軸向還是橫向加載條件下，多胞管的能量吸收效率均顯著高于泡沫填充管。在變形模式基礎上分析了軸向壓縮下多胞管能量吸收性能高于泡沫填充管的原因；對截面尺寸發(fā)生變化時，泡沫填充管和多胞管在軸向和橫向加載條件下的變形模式的

7、變化進行了研究。 (具體內容見第五章)。 5.基于泡沫填充雙筒管優(yōu)良的能量吸收特性，本文提出了一種新型雙筒六邊形多胞管。在給定外圍尺寸和結構質量情況下，通過選用適當?shù)脑O計變量，對軸向壓縮下雙筒管結構的能量吸收進行了優(yōu)化設計。優(yōu)化求解過程采用基于Chebyshev正交多項式的序列響應面優(yōu)化方法進行，軸向壓縮過程采用顯式有限元軟件LS-DYNA模擬；通過對比分析，對新型雙筒管內部翼緣板對能量吸收效率的影響及響應面優(yōu)化對結構能量吸收的