仿生层级薄壁方管的耐撞性研究

为了进一步改善车辆结构部件的耐撞性能,基于甲虫翅鞘微观锥形小梁结构提出新颖的仿生层级薄壁方管(BHST)结构,包括SBHST-4,SBHST-9,BHST-4和BHST-9。通过非线性有限元软件和试验验证结果建立BHST有限元模型,并对比其与传统多胞薄壁方管结构的轴向吸能特性。考虑到结构壁厚、截面尺寸和空间位置因素对BHST-9结构耐撞性能的影响,采用参数分析方法,研究小方锥管下截面尺寸b分别和空间位置参数λ、结构壁厚t对BHST-9结构轴向吸能特性的影响。此外,结合径向基函数(RBF)神经网络代理模型技术与非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对BHST-9结构进行多目标优化分析,以获取BHST-9结构的最优配置。研究结果表明:BHST-9结构呈现出较优异的轴向吸能效果,其比吸能较传统9胞薄壁方管在等质量的条件下提高了22.87%,初始峰值力降低了10.22%;适当增加结构壁厚和小方锥管下截面尺寸有利于提升BHST-9结构的吸能能力;随着λ的增加,BHST-9结构的比吸能呈现出先增后减的趋势,当λ为0.5时,不同下截面尺寸小方锥管的BHST-9结构整体上具有较高的比吸能和较稳定的折叠变形模式,且初始峰值力变化幅度较小,但BHST-9结构中的仿生小方锥管下截面尺寸和结构壁厚较空间位置参数对比吸能的提升作用更为显著;当BHST-9结构初始峰值力不高于140kN时,其最优设计参数t,b分别为1.61,24.67mm。     

仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的耐撞性能研究

为提高汽车吸能盒结构耐撞性,受毛竹微观结构启发,提出3种不同的仿生双菱形肋边多胞薄壁结构。建立仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的有限元模型,通过有限元仿真对比研究仿生双菱形肋边多胞薄壁结构与传统八边形多胞薄壁结构的耐撞性。分析双菱形肋边布置方式、内层壁厚等因素对新型薄壁结构吸能特性和变形模式的影响。结果表明,与传统八边形多胞薄壁结构相比,仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的吸能特性有了明显的提升;双菱形肋边布置方式和内外层壁厚对结构吸能特性均有一定影响;随着内层壁厚的增加,结构最大峰值力减小,但总能量吸收和比吸能减少,载荷平稳度降低。仿生双菱形肋边多胞薄壁结构能有效降低乘员在汽车正面碰撞中所受的伤害,可应用到新能源汽车吸能盒的设计开发中。     

基于二次回归正交设计法的薄壁吸能特性研究

为提供汽车不同区域的吸能特性与薄壁金属结构匹配的理论依据,一方面应用正交设计理论得到多参数影响下最优吸能特性的薄壁结构水平组合。建立了比吸能与试验参数的二次非线性回归方程并进行了比吸能预测值与试验值的比较,得到理想结果;另一方面,通过不同结构碰撞峰值力与加速度比较,完善了汽车不同区域耐撞性要求下薄壁吸能评价体系。     

梯度负泊松比结构填充吸能盒多工况优化设计

汽车碰撞过程中,非理想的斜向碰撞较为普遍。本文中通过对三维负泊松比点阵结构进行多工况耐撞性研究,发现冲击角度对三维负泊松比点阵结构的耐撞性有较大影响,随着冲击角度的增大,吸能量呈下降趋势。将梯度负泊松比点阵结构作为填充材料引入吸能盒设计,以吸能盒外壳厚度与内芯3个厚度梯度值为设计变量,最大综合吸能量、最小轴向峰值力和质量为优化目标,质量和设计变量为约束条件,基于多岛遗传算法进行多工况多目标优化设计。结果表明,在质量和最大峰值力增加不大的条件下,负泊松比结构填充吸能盒的综合吸能量与各冲击角度的耐撞性均得到大幅提升,优化效果显著。     

CFRP多胞结构吸能机制及多工况耐撞性设计

将轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)应用到多胞结构设计中,有望进一步提升CFRP薄壁结构的耐撞性能及吸能效率。为了研究CFRP多胞结构在多角度加载工况作用下的能量吸收机制及耐撞性能,采用机织平纹CFRP预浸料制备CFRP单胞管以及2个不同规格的CFRP多胞管,并通过调整壁厚使所有结构的质量保持相等;随后,对上述3个试样开展准静态轴向压溃试验,通过试验揭示CFRP多胞管的耐撞性能。此外,建立CFRP多胞管的有限元模型,采用数值仿真的方法揭示多胞管的能量吸收机制,并基于试验验证的有限元模型进一步分析9种不同规格的CFRP多胞结构在多种加载角度下的压溃性能。最后,采用多指标评价方法(COPRAS)对不同构型的多胞管在多种压溃角度下的耐撞性能进行综合评价。试验结果表明:单胞管发生了不稳定的局部屈曲,多胞管发生了稳定的渐进失效,并且在等质量的条件下,多胞管的总吸能比单胞管的总吸能高约68%。仿真结果表明:层内损伤是CFRP多胞管以及单胞管的主要吸能机制,其能量耗散值约占总能量的50%;且随着加载角度的增加,各结构的总吸能逐渐下降,但各吸能机制所耗散能量的占比变化不大,增加胞数以及内壁胞壁的厚度均能小幅度提升多胞管的能量吸收特性。综合耐撞性评价结果表明:试样MT3-4[胞数为9,内部胞壁厚度b为1.178 0 mm(5层),外部胞壁厚度c为0.235 6 mm(1层)]在多种压溃角度下具有更好的综合耐撞性能。     

帽形截面薄壁焊接结构轴向耐撞性的优化设计方法研究

以帽形截面薄壁梁为例,研究了焊点布局对薄壁梁结构轴向耐撞性的影响。建立了精度较高的用于分析薄壁梁结构轴向耐撞性的有限元模型,提出了考虑焊点影响的帽形截面薄壁梁在轴向冲击载荷作用下的平均碰撞力的解析解,并以薄壁梁结构的轴向平均碰撞力和弯曲刚度为约束条件,对一帽形截面薄壁梁进行了轻量化设计,大幅提高了优化设计的效率。讨论了一些重要参数(如截面形状、材料性能、载荷形式等)对薄壁梁结构轴向耐撞性能的影响。     

基于多胞结构的车身前端轻量化和耐撞性设计

为满足车身轻量化和耐撞性设计的要求,采用材料替换与结构改进相结合的方法对前端进行优化。基于试验验证的整车正面碰撞模型,建立了铝制前端模型并与钢制设计方案进行了耐撞性对比。为提高铝制前端耐撞性能,设计了不同胞数的多胞构型截面,并在三点弯曲和轴向压溃工况下分析其吸能特性。运用多目标优化方法对多胞前端的结构参数进行寻优。结果表明,优化后的铝制多胞结构能在改善整车耐撞性的同时,显著减轻前端质量。     

利用蜂窝结构改善汽车耐撞性的仿真研究

在汽车碰撞过程中,汽车前纵梁是主要的吸能装置.通过对方管薄壁结构和蜂窝型多胞结构的耐撞性进行对比分析可知,蜂窝型多胞结构杆件具有较好的吸能特性.将蜂窝型杆件应用于汽车前纵梁上进行碰撞分析.结果显示,蜂窝型多胞结构具有更优越的耐撞性能,且碰撞过程的材料利用率也较高.     

基于正交试验设计的薄壁结构耐撞性优化设计

为了提高薄壁结构的耐撞性能,本文提出了一种高效的设计方法:。利用二次回归正交组合试验设计方案来选取设计点,在设计点处用有限元法代替传统试验来获取试验数据。然后通过最小二乘法建立了刚性墙最大位移、撞击力峰值和总质量的高精度响应面。综合考虑厚度的变化范围、安全性和轻量化要求,运用可行方向法对建立的响应面进行优化计算,得到了一组最优值。结果:表明本文的设计方法:具有很高的精度和计算效率,实现了提高薄壁结构耐撞性的目的:。同时也为车身复杂结构(如前纵梁、吸能盒等)的耐撞性设计提供理论依据和参考方法:。     

桥梁防船撞波纹钢夹层吸能结构耐撞性研究

为了确定桥梁防船撞波纹钢夹层结构的合理布置方式和结构参数,根据某长江大桥桥墩防撞需求设计波纹钢夹层结构,采用LS-DYNA软件建立夹层结构和船艏的有限元模型,模拟船艏撞击夹层结构的过程,分析不同波纹板布置方向、波纹板厚度和面板厚度下夹层结构的耐撞性指标和撞击力。结果表明:波纹板竖直布置比水平布置具备更好的吸能效果;波纹板厚度对耐撞性指标的影响不大;耐撞性指标随面板厚度的增大先增大后减小,厚度为7mm时耐撞性指标最大;波纹钢夹层结构对船舶撞击力的削减达到60%以上;波纹钢夹层结构对撞击能量不敏感,具备较好的稳健性和吸能效果。     

铝合金吸能盒耐撞性研究

为提升汽车安全性能及实现轻量化目标,对4种不同截面铝合金吸能盒的耐撞性进行对比分析,并研究宽高比及材料强度对耐撞性能的影响。研究表明:双十字型截面吸能盒耐撞性能最优;在汽车结构设计中,宽高比要控制在0.7至1.0之间,越接近1.0吸能效率越高;吸能随材料强度增加而增加,可以通过加强材料减少壁厚进一步实现轻量化。     

基于代理模型的薄壁钣件抗撞性优化设计

为研究薄壁吸能钣件的抗撞性,基于动力显式有限元法和全因子试验设计,结合响应面方法建立了薄壁钣件的代理模型.以结构的比吸能为优化目标,采用序列二次规划算法对结构参数进行优化,找到吸能钣件的比吸能随钣件长度和厚度而变化的规律,得到了该薄壁钣件的最优设计参数.     

客车骨架构件吸能特性的对比分书

针对汽车耐撞性的要求，以客车骨架常用的矩形管件为研究对象，利用参数化建模的方法，分析了截面形状，壁厚，材料对吸能特性的影响。通过仿真分析表，明在相同情况下方形薄壁构件吸收能量较多且变形量小，但是在碰撞开始产生的峰值加速度较大，在碰撞事故中对人体造成的伤害很大，有必要在此基础上对方形构件进行优化设计。壁厚因素对构件碰撞吸能特性的影响较大，构件的抗变形能力和缓冲吸能能力存在相互矛盾。     

梯度碳纤维复合材料/铝合金复合多胞管斜压失稳研究

以碳纤维复合材料 （Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP） /铝合金复合多胞吸能管为研究对象,建立基于试验验证的高精度有限元模型,对比分析了CFRP/铝合金复合单胞管与多胞管在多角度斜向压缩工况下的动力学响应,阐明CFRP/铝合金复合多胞管的优缺点,解析CFRP与铝合金的吸能贡献机制。针对CFRP/铝合金多胞管大角度工况下的斜压失稳问题,提出一种基于CFRP梯度缠绕策略的失稳控制方法,明确了以CFRP正向梯度缠绕铝合金复合多胞管为基础构型的解决方案。通过对梯度厚度差值与梯度层数进行参数化研究,建立了高效精准的梯度设计策略,确保CFRP/铝合金复合多胞管在期望角度范围内始终保持稳定高效的变形模式,实现多工况综合耐撞性能的显著提升。研究 成果为多材料轻质安全车身结构的耐撞性设计提供理论指导与共性技术支撑。     

梯度强度汽车薄壁结构抗撞性优化

本文中采用有限元法,对一种梯度强度汽车薄壁结构的抗撞性能进行仿真研究。首先以该结构在碰撞过程中的峰值碰撞力F和比吸能E为评价指标,分析了板厚t、碰撞端强度s和梯度强度分布指数m对其抗撞性能的影响。通过响应面法建立性能参数F和E与设计变量m,t和s的近似关系,并对该结构进行多目标优化,得到F和E的最优设计Pareto前沿。然后考虑到工艺因素的不稳定性,选取该前沿上的特征点对最优设计的鲁棒性进行分析,发现当梯度强度指数m0.5时(此时顶端强度和厚度应选最小值)鲁棒性最优。最后以原始材料(低强度均质性能)、高强度材料(高强度均质性能)和梯度强度材料进行某款车型前纵梁的正撞模拟评价。结果表明:梯度强度薄壁结构在乘员舱减速度、前围侵入量和比吸能等方面皆比传统设计有着更优的抗撞性能,且有效减轻了车身质量,综合性能最优。     

梯度强度汽车薄壁结构抗撞性优化EI北大核心CSCD

本文中采用有限元法,对一种梯度强度汽车薄壁结构的抗撞性能进行仿真研究。首先以该结构在碰撞过程中的峰值碰撞力F和比吸能E为评价指标,分析了板厚t、碰撞端强度s和梯度强度分布指数m对其抗撞性能的影响。通过响应面法建立性能参数F和E与设计变量m,t和s的近似关系,并对该结构进行多目标优化,得到F和E的最优设计Pareto前沿。然后考虑到工艺因素的不稳定性,选取该前沿上的特征点对最优设计的鲁棒性进行分析,发现当梯度强度指数m<0.5时(此时顶端强度和厚度应选最小值)鲁棒性最优。最后以原始材料(低强度均质性能)、高强度材料(高强度均质性能)和梯度强度材料进行某款车型前纵梁的正撞模拟评价。结果表明:梯度强度薄壁结构在乘员舱减速度、前围侵入量和比吸能等方面皆比传统设计有着更优的抗撞性能,且有效减轻了车身质量,综合性能最优。     

负泊松比防车撞结构的耐撞性研究

桥墩在车辆碰撞事故中可能会产生失稳、倒塌等损伤，因此开展桥墩防车撞研究存在必要性和较高的研究价值。针对城市内车辆行驶区域受限的特征，本研究设计了一种具备占用空间小、吸能效果好等优点的新型负泊松比钢质防车撞结构，在不同工况下开展了实车碰撞场景下防车撞结构的耐撞性数值仿真研究，并分析了负泊松比蜂窝防车撞结构的防护效果。结果表明，与普通正六边形蜂窝防车撞结构相比，新型负泊松比蜂窝防车撞结构吸能更多，碰撞力峰值更小，结构应力分布更均匀；在不超过结构设计厚度的情况下，撞深更大，材料利用更充分，更适合作为防撞结构。     

复合材料前防撞梁变截面多工况多目标优化设计

本文中综合考虑汽车低速碰撞中的角度和对中两种碰撞工况,结合碳纤维/环氧树脂材料的特点,提出了一种变截面复合材料前防撞梁设计方法。首先,通过低速碰撞两种工况中前防撞梁的仿真计算发现,在等厚度的情况下,为满足侵入量的条件,对中碰撞时所要求的厚度远远大于角度碰撞时的要求,因此,根据对中碰撞时前防撞梁的受力和约束条件,为其提出了中间厚两端薄,即变截面的设计方案。然后,以最小化吸能盒截面力和前防撞梁质量为目标,许用侵入量为约束,两种截面厚度和加厚区域长度为设计变量,基于采集的试验点构建吸能盒截面力和前防撞梁质量的Kriging代理模型,利用NSGA-Ⅱ算法对其进行多目标优化。最终的结果表明,在满足性能要求的基础上变截面设计使复合材料前防撞梁的质量分布更为合理,在不增加质量的条件下,角度和对中两种低速碰撞工况中耐撞性能都得到提高。     

基于子结构拓扑优化的大客车耐撞性改进

提出了一种基于子结构拓扑优化的大客车车身骨架耐撞性改进设计方法。首先通过测试和仿真进行某承载式大客车耐撞性评价,分析车身结构变形的症结;提取前端驾驶区骨架为子结构,以其碰撞吸能量相同为等效条件,进行子结构耐撞性分析与改进;接着为控制子结构的局部失稳变形,以吸能盒碰撞力峰值为载荷条件,进行子结构空间区域拓扑优化,完成8组改进方案的对比分析,选取质量最轻的达标方案进行台车实验验证;最后将该方案导入整车结构中进行耐撞性改进验证。结果表明:整车的耐撞性得到有效提高。     

截面几何参数对混凝土薄壁桥塔温度应力的影响

为了研究截面几何参数对混凝土薄壁桥塔温度应力的影响,基于某悬索桥混凝土桥塔实测日照温差,通过有限元方法分析了不同塔壁厚度、塔壁长宽比和塔壁内外表面角隅处倒角等条件下桥塔截面的温度应力,结果表明:改变塔壁厚度、塔壁长宽比和塔壁内侧角隅处倒角对桥塔温差应力均有不同程度的影响;在塔壁内外正温差条件下,桥塔内表面角隅处的温度应力随塔壁厚度的增加而增大;负温差条件下,塔壁外表面的温度应力随塔壁厚度的增加而减小;改变塔壁截面长宽比对改善塔壁截面温度应力的效果不明显;正温差条件下,在塔壁内侧截面角隅处设置倒角,可有效降低塔段内表面的温度应力,在考虑混凝土体积与抗压刚度的情况下,其倒角尺寸建议在0.3 m×0.3 m～0.5 m×0.5 m之间;负温差作用下,塔壁厚度比是重要设计参数,其取值不宜太大,较大的塔壁厚度比可以降低桥塔中心处温度应力,但同时会导致角隅处温度应力集中,混凝土体积增加,塔壁长宽比变小,从而导致桥塔的抗压刚度降低。在设计柱状薄壁箱形结构截面时,满足结构承载能力和工程造价的前提下,要充分考虑日照温差应力对薄壁箱型结构的影响,其研究成果可推广应用于其他桥型的混凝土空心薄壁箱型桥塔或桥墩截面设计中。