輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化.pdf

1、輕質(zhì)薄壁吸能結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，作為發(fā)生碰撞等突發(fā)事件時(shí)耗散沖擊動(dòng)能的主要構(gòu)件。設(shè)計(jì)出輕質(zhì)高效并具有良好耐撞性能的薄壁吸能構(gòu)件對(duì)于保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全、節(jié)約能源、促進(jìn)環(huán)保等方面具有重大的實(shí)際意義。本文圍繞提高輕質(zhì)金屬薄壁結(jié)構(gòu)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(guān)系的基礎(chǔ)上，本文提出了多個(gè)性能優(yōu)異的新型結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)這些新型結(jié)構(gòu)的能量吸收性能進(jìn)行了分析研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。采

2、用合理的理論分析模型、可靠的數(shù)值模擬技術(shù)和適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)方法是本文的主要研究手段。具體研究?jī)?nèi)容如下： 1.基于圓管的自由翻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)可以克服兩類傳統(tǒng)圓管翻轉(zhuǎn)的缺點(diǎn)，在不需要夾具或模具情況下能保持較長(zhǎng)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(shù)對(duì)軸向壓縮下可收縮管的翻轉(zhuǎn)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)其能量吸收特性進(jìn)行了研究；通過與傳統(tǒng)圓管的對(duì)比研究表明可

3、收縮管的總體吸能效率顯著高于相應(yīng)的普通圓管，在實(shí)際工程中有著良好的應(yīng)用前景；對(duì)兩類可收縮管進(jìn)行了參數(shù)化研究，分析了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)能量吸收性能的影響；對(duì)多節(jié)可收縮管進(jìn)行了算例分析，驗(yàn)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(nèi)容見第二章)。 2.提出了改善薄壁結(jié)構(gòu)能量吸收性能的一種新方法--在結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)果表明本文所引入的兩類圖案類型都達(dá)到了預(yù)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(jié)構(gòu)尺寸，分析了它們對(duì)兩類圖案的作用的影響；采用試驗(yàn)研究手段，對(duì)引入圖案對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了定性分析。 (具體內(nèi)容見第三章)。 3.基于簡(jiǎn)化的超折疊單元理論，對(duì)軸向壓縮下多胞方管的能量吸收進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)；通過將多胞管截面分為三個(gè)部分：角形

5、部分、十字形部分和T形部分，分別考慮每個(gè)部分所耗散的能量，推導(dǎo)了多胞管的平均載荷預(yù)測(cè)公式；采用數(shù)值方法對(duì)鋁合金多胞方管進(jìn)行了動(dòng)態(tài)軸向壓縮模擬，通過對(duì)比分析表明本文的平均載荷理論預(yù)測(cè)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果吻合良好。對(duì)一組具有相同質(zhì)量和截面寬度而多胞形式不同的多胞方管進(jìn)行了分析，研究了單胞的個(gè)數(shù)(尺寸)對(duì)多胞方管的能量吸收效率的影響；引入了一種預(yù)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(nèi)容見第四章)。 4.采用單

6、一材料一鋁作為結(jié)構(gòu)材料條件下，對(duì)泡沫填充方管和多胞方管的能量吸收性能進(jìn)行了對(duì)比研究。在軸向和橫向加載條件下分別對(duì)不同截面尺寸的泡沫填充管和多胞管進(jìn)行了數(shù)值模擬，這些用于對(duì)比的泡沫填充管和多胞管具有相同的質(zhì)量；研究結(jié)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(chǔ)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(duì)截面尺寸發(fā)生變化時(shí)，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(jìn)行了研究。 (具體內(nèi)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(jié)構(gòu)質(zhì)量情況下，通過選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量，對(duì)軸向壓縮下雙筒管結(jié)構(gòu)的能量吸收進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化求解過程采用基于Chebyshev正交多項(xiàng)式的序列響應(yīng)面優(yōu)化方法進(jìn)行，軸向壓縮過程采用顯式有限元軟件LS-DYNA模擬；通過對(duì)比分析，對(duì)新型雙筒管內(nèi)部翼緣板對(duì)能量吸收效率的影響及響應(yīng)面優(yōu)化對(duì)結(jié)構(gòu)能量吸收的