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轻质吸能材料和结构的耐撞性分析与设计优化

作　者: 张宗华
导　师: 刘书田
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 薄壁结构能量吸收耐撞性优化设计响应面法试验设计
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

轻质(低耗能)高可靠性是现代汽车与交通工具设计所追求的目标。在轻量化的要求下,单纯通过增加材料用量以提高汽车结构的承载力和耐撞性已经变得不可行。如何既能满足轻量化设计的要求,又能保证碰撞安全性能,是汽车设计工程师面临的难题。在这一需求的牵动下,针对汽车碰撞过程中主要吸能构件的破坏模式及其对应的吸能特性,本文开展了轻质吸能材料和结构的耐撞性分析与设计优化方面的研究,兼顾车身结构安全性和轻量化的设计要求,获得了几种典型的高吸能薄壁结构构型。具体研究内容和成果包括：(1)以吸能构件的横向弯曲为背景,提出了一种类似泡沫填充结构的加筋填充梁,并进一步对其截面形状进行耐撞性能的优化设计。通过调整一系列控制点的纵坐标来控制加强筋的截面形状,利用显式有限元分析和结构优化技术对加筋填充梁的截面形状进行单目标和多目标优化设计。将优化后的加筋填充梁与等质量的空心薄壁梁和泡沫填充梁进行比较,发现加筋填充梁的吸能性能均优于其余两种截面形式的梁,初始冲击力峰值降低则更为显著,因此通过结构优化设计可以提高结构的耐撞性能。讨论了方形薄壁梁弯曲变形皱褶模式发生转变的可能原因,发现本文方形薄壁梁发生非典型皱褶模式的主要原因是截面尺寸过大所致。此外,以车门防撞梁的横向弯曲为例,通过试验验证了本文基于显式有限元数值模拟的可靠性。(2)提出了一种新型能量吸收装置——蜂窝夹芯圆柱管。这种新型吸能结构是由两个空心薄壁管填充一种大尺寸蜂窝栅格组成。以Kagome蜂窝夹芯结构为例,研究了这种吸能结构的变形模式和吸能特性,由于蜂窝和管壁之间的相互耦合,改变了内、外管壁的塑性变形模式,增加了结构的塑性变形区域和提高了塑性变形的程度,使结构的吸能性能得到大幅提高。讨论了Kagome蜂窝的几何参数和蜂窝类型对复合结构轴向冲击性能的影响。另外,研究了三种不同粘结条件的泡沫夹芯圆柱结构,发现粘结强度的增加,改变了结构的变形模式,提高了结构的吸能能力。对比两类夹芯结构的吸能特性,发现蜂窝夹芯结构具有更好的耐撞性能,尤其是Kagome蜂窝夹芯结构。(3)为了提高S型纵梁轴向冲击的耐撞性能,本文从改变截面形状和轴线构型两个方面对S型纵梁进行研究。首先,研究了三组不同截面构型对S型纵梁耐撞性能的影响,发现从方形到圆形截面,结构的吸能能力逐渐下降,大高宽比的矩形截面具有更好的吸能性能。对于加筋截面,竖向加筋对结构吸能性能的提高比横向加筋更加显著；十字型加筋结构比双竖加筋吸收了更多的能量。其次,针对S型纵梁塑性变形具有明显的局部性特点,提出了S型纵梁轴线构型的耐撞性优化设计模型和设计技术。考虑到碰撞分析的高度非线性和显式有限元分析的时间效率问题,采用序列响应面法对S型纵梁的轴线构型进行优化设计。优化后,结构的吸能和比吸能都有大幅提高。分析其变形过程,发现S纵梁发生了4次局部皱褶,形成了两个塑性剪切带,增加了塑性变形,提高了结构的吸能性能。将优化设计得到的最优构型应用于帽型点焊薄壁结构,发现其变形过程也出现了4次局部皱褶和两个塑性剪切带。因此,该构型在轴向冲击载荷作用下具有稳定的变形模式,可以为车身结构设计提供有价值的参考和指导。(4)以帽型点焊薄壁结构为例,研究了材料性能的梯度分布对结构耐撞性能的影响。首先,修正了帽型点焊薄壁结构轴向冲击的理论预测模型,将其适用范围由软钢结构扩展到高强度钢,并通过数值模拟验证了其正确性。其次,对帽型薄壁结构进行梯度材料设计,通过数值模拟发现,这种“软硬”结合的复合材料结构在轴向压缩过程中逐次压溃,呈现出梯度性,随着高强度材料的增加可以大幅提高结构的吸能效率,但冲击力峰值可以保持在相对低的水平,相当于引入了材料缺陷。将上述梯度分布材料应用于B柱外板,可以简化结构设计,提高结构的耐撞性能,减少碰撞过程中对驾乘人员的伤害。(5)针对吸能保险杠在低速碰撞和行人保护方面的重要作用,对热塑性吸能保险杠的耐撞性能进行优化设计。以缓冲梁的截面形状为设计变量,提出了一个包含最小侵入位移和最小冲击力峰值的多目标优化设计模型。以热塑性吸能保险杠的摆锤冲击为研究对象,通过序列响应面法得到了一种新型吸能保险杠。该保险杠在低速碰撞过程中具有良好的耐撞性能,同时可以使最大侵入位移和冲击力峰值保持在相对低的水平。与目前广泛使用的泡沫塑料吸能保险杠进行比较,发现本文设计的吸能保险杠具有更好的安全防护性能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-38
  1.1 耐撞性研究的背景和意义  13-16
  1.2 吸能材料与结构的研究现状  16-27
    1.2.1 研究内容  16-17
    1.2.2 研究方法  17-20
    1.2.3 薄壁结构的轴向冲击  20-23
    1.2.4 薄壁结构的横向弯曲  23-24
    1.2.5 轻质多孔材料的填充  24-27
  1.3 耐撞性优化设计的研究现状和进展  27-32
    1.3.1 响应面法在耐撞性优化设计中的应用  28-30
    1.3.2 试验设计方法  30-32
  1.4 显式有限元算法的基本理论  32-36
    1.4.1 弹塑性动力学基本方程  33-34
    1.4.2 显式有限元的求解方法  34-35
    1.4.3 接触-碰撞界面算法  35-36
  1.5 本文研究内容  36-38
2 加筋薄壁梁横向弯曲性能的多目标优化设计  38-64
  2.1 引言  38-39
  2.2 材料性质  39-42
    2.2.1 高强度钢  39-40
    2.2.2 铝泡沫  40-42
  2.3 三种不同截面梁结构横向弯曲的数值模拟  42-45
    2.3.1 三点弯曲有限元模型  42-43
    2.3.2 薄壁结构耐撞性能的评价指标  43
    2.3.3 计算结果与分析  43-45
  2.4 加筋填充梁的优化设计  45-49
    2.4.1 设计变量的定义  45-46
    2.4.2 优化问题的提法及优化过程的实现  46-47
    2.4.3 优化结果分析  47-49
  2.5 加筋填充梁的多目标优化设计  49-54
    2.5.1 多目标优化设计方法  49-50
    2.5.2 加筋填充梁的多目标优化设计  50-52
    2.5.3 加筋填充梁多目标优化设计的结果分析  52-54
  2.6 优化后三种截面梁结构横向弯曲性能的对比  54-57
    2.6.1 优化后三种等质量截面梁横向弯曲性能的比较  54-56
    2.6.2 多目标优化设计最优截面形状的归一化样条曲线拟合  56-57
  2.7 空心方形薄壁梁横向弯曲皱褶模式的讨论  57-60
    2.7.1 方形薄壁梁弯曲破坏的理论模型  57-59
    2.7.2 方形薄壁梁弯曲变形皱褶模式的转变  59-60
  2.8 车门防撞梁三点弯曲的数值模拟及试验验证  60-62
    2.8.1 温热成型车门防撞梁的材料性质  60
    2.8.2 车门防撞梁的三点弯曲试验及有限元分析  60-62
  2.9 本章小结  62-64
3 蜂窝夹芯圆柱结构轴向冲击的耐撞性研究  64-85
  3.1 引言  64-66
  3.2 数值模拟  66-68
    3.2.1 有限元模型  66-67
    3.2.2 材料性质  67
    3.2.3 结构耐撞性的表征参数  67-68
  3.3 数值模拟结果  68-72
    3.3.1 Kagome蜂窝夹芯圆柱结构轴向冲击的数值模拟结果  68-69
    3.3.2 耦合效应分析(蜂窝夹芯结构>空心管+蜂窝芯体)  69-72
  3.4 Kagome蜂窝夹芯结构的参数分析  72-74
    3.4.1 Kagome蜂窝材料厚度对结构轴向冲击的影响  72-73
    3.4.2 芯层厚度对结构轴向冲击的影响  73
    3.4.3 Kagome蜂窝单胞分布对结构轴向冲击的影响  73-74
  3.5 蜂窝类型对夹芯圆柱结构轴向冲击性能的影响  74-79
    3.5.1 蜂窝芯体轴向压缩的数值模拟  74-76
    3.5.2 蜂窝夹芯圆柱结构轴向冲击的数值模拟  76-78
    3.5.3 不同蜂窝夹芯结构耦合效应的分析  78-79
  3.6 与泡沫夹芯结构的比较  79-83
    3.6.1 双管泡沫夹芯结构的数值模拟  79-82
    3.6.2 泡沫夹芯结构的粘结效应分析  82-83
    3.6.3 蜂窝夹芯结构和泡沫夹芯结构耐撞性能的比较  83
  3.7 本章小结  83-85
4 S型纵梁轴向冲击耐撞性能的优化设计  85-105
  4.1 引言  85-86
  4.2 截面形状及加筋布局对S型纵梁耐撞性能的影响  86-93
    4.2.1 有限元模型及材料性质  86-88
    4.2.2 方形截面S型纵梁的数值模拟结果  88-89
    4.2.3 截面形状及加筋布局对结构耐撞性能的影响  89-92
    4.2.4 计算结果分析与讨论  92-93
  4.3 基于序列响应面法S型纵梁轴线构型的优化设计  93-103
    4.3.1 序列响应面法的基本理论  94-97
    4.3.2 优化问题的提出  97-98
    4.3.3 有限元模型和材料性质  98-100
    4.3.4 近似模型的误差分析  100
    4.3.5 优化结果分析与讨论  100-103
  4.4 本章小结  103-105
5 材料性能的梯度分布对结构耐撞性能的影响  105-121
  5.1 引言  105-107
  5.2 帽型薄壁管的有限元模型及梯度分布材料性能  107-109
    5.2.1 有限元模型  107-108
    5.2.2 材料性质  108-109
  5.3 材料性能的梯度分布对帽型薄壁管耐撞性能的影响  109-115
    5.3.1 单帽型薄壁管轴向冲击的理论模型  109-110
    5.3.2 单帽型薄壁管轴向压缩的数值模拟  110-113
    5.3.3 材料性能的梯度分布对单帽型薄壁管轴向冲击性能的影响  113-115
  5.4 梯度分布材料在B柱外板上的应用  115-120
    5.4.1 B柱侧面碰撞模型的简化  115-117
    5.4.2 B柱外板的简化设计及材料性能的梯度分布  117-118
    5.4.3 分析结果  118-120
  5.5 本章小结  120-121
6 低速冲击下热塑性吸能保险杠耐撞性能的优化设计  121-141
  6.1 引言  121-124
  6.2 热塑性保险杠缓冲梁的优化设计  124-132
    6.2.1 优化问题的提出  124-126
    6.2.2 摆锤冲击保险杠的有限元模型  126-128
    6.2.3 序列响应面优化设计  128-129
    6.2.4 优化设计结果分析  129-132
  6.3 热塑性保险杠缓冲梁与EPP泡沫塑料结构的比较  132-139
    6.3.1 EPP泡沫吸能式保险杠的有限元模型  133-134
    6.3.2 EPP泡沫吸能式保险杠的摆锤冲击结果  134-136
    6.3.3 两种吸能保险杠冲击固定壁障和刚性柱的耐撞性分析  136-139
    6.3.4 两种吸能保险杠耐撞性能的比较  139
  6.4 本章小结  139-141
7 结论与展望  141-144
  7.1 结论  141-142
  7.2 展望  142-144
创新点摘要  144-145
参考文献  145-158
攻读博士学位期间发表学术论文情况  158-159
致谢  159-160
作者简介  160-161

轻质吸能材料和结构的耐撞性分析与设计优化

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