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。     

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。     

新颖变截面多胞薄壁结构的耐撞性研究

为进一步提高多胞薄壁结构在轴向载荷条件下的耐撞性能,提出了一种新颖的变截面多胞薄壁结构,该结构通过将传统均匀多胞结构内胞壁旋转一定的角度而形成,使得同一截面上的各胞元呈现非均匀特性。结合试验与数值有限元分析方法,以最大峰值力和比吸能为耐撞性评价指标,开展不同截面旋转轴位置、旋转角度和薄壁厚度等参数下的变截面多胞与均匀多胞结构的耐撞性对比研究。此外,为进一步探索变截面多胞结构的最优耐撞性,结合Kriging近似模型技术与多目标粒子群方法对变截面多胞结构进行了耐撞性寻优,获得了该结构的Pareto前沿与在不同设计要求下的最优参数匹配。研究结果表明:旋转轴位置、旋转角度和薄壁厚度对变截面多胞薄壁结构的比吸能有显著影响,但旋转轴位置和旋转角度对最大峰值力的影响较小,变截面多胞薄壁结构的比吸能较传统均匀多胞结构提高了约8%;当碰撞最大峰值力限定在180kN范围内时,该结构的最优设计参数壁厚t与旋转角度θ分别为1.52mm和1.85°。     

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。     

棱边强化薄壁方管轴向压溃吸能特性

采用Hypermesh 9.0和Lsdyna 971数值仿真分析了棱边强化对薄壁方管轴向压溃过程能量吸收机理的影响。基于单个方管折叠单元能量平衡方程,采用分项能量修正法和影响因子归一化建立了棱边强化薄壁方管轴向压溃能量平衡方程。理论推导出棱边强化方管平均压溃力预测公式和吸能增幅表达式,其中,平均压溃力的仿真结果与预测公式计算结果吻合较好。Q235方管压溃试验结果表明,棱边强化方管平均压溃力公式也可用于预测原始方管,且效果更好。吸能对比表明:棱边强化后,棱边与平板的塑性变形在轴向压溃过程中存在强耦合关系,两部分的吸能均有提升。对于截面为56.36mm×56.36mm、厚度为1.0mm的薄壁方管,棱边约强化4倍,4条棱边仅占薄壁方管截面9.09%,理论上可使方管总体吸能量提升近30%,可见棱边强化能显著提升薄壁方管轴向压溃吸能水平。     

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.     

单帽型薄壁梁弯曲和轴向压溃吸能的理论预测方法研究

以Kecman薄壁梁弯曲压溃理论和Wierzbicki超折叠单元理论为基础,建立一种改进的单帽型薄壁梁准静态弯曲压溃和轴向压溃理论模型,并推导相应的吸能公式。该模型适用于求解同材同厚、同材异厚、异材同厚和异材异厚的单帽型薄壁梁弯曲压溃和轴向压溃吸能。试验和数值仿真结果表明:与传统理论和模型相比,改进理论模型对于预测单帽型薄壁梁的弯曲压溃和轴向压溃吸能具有较高的精度,在应用范围方面更具有通用性。     

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。     

基于拉丁超立方抽样的薄壁梁抗弯性能研究

为提高车身侧碰安全性,利用三点弯曲试验方法对薄壁梁的抗弯性能进行研究。采用拉丁超立方设计方法对薄壁梁结构的壁厚及其上面板宽度进行了25组方案设计,并使用LS-DYNA对各方案进行有限元分析,得到相应的试验值和设计目标函数值。以加载力峰值、平均加载力和比吸能值作为优化设计目标,运用Isight建立了其与薄壁梁参数之间的克里金(Kriging)近似模型,并应用NSGA-Ⅱ优化算法对近似模型进行寻优,得到了优化的薄壁梁参数,薄壁梁的抗弯性能显著提高。     

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。     

考虑损伤下的汽车吸能盒轴向压缩特性研究

用有限元软件ABAQUS对钢质、铝合金质吸能盒的吸能特性进行对比研究，采用不同的损伤模型模拟材料的变形行为，比较了两种吸能盒轴向压缩距离、变形模式、评价指标的变化特性。结果表明，数值模拟下吸能盒的轴向压缩距离和变形模式与试验结果吻合。在冲击速度为10 m/s的低速碰撞下，铝合金质吸能盒吸收的能量与钢质吸能盒相比减少了6%；钢质吸能盒的吸能效率为35.5 kJ/mm，比铝合金质吸能盒高。铝合金质吸能盒相较于钢质吸能盒在压缩过程中形成了明显的折叠褶皱，边缘处材料失效，单元被移除。吸能盒的评价指标中铝合金质吸能盒的比吸能 （SEA）、峰值碰撞力 （PCF） 均比钢质吸能盒更优，钢质吸能盒的吸能量 （EA）、平均碰撞力 （MCF） 比铝合金质吸能盒更优。铝合金相比钢更适合作为中低速碰撞时车用吸能盒的材料。     

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。     

汽车前纵梁薄壁结构碰撞吸能特性及其优化的研究

阐述了汽车前纵梁薄壁结构碰撞吸能特性的研究方法和研究现状,总结了板厚、材料性能、截面形状、结构形态和连接方式等因素对其碰撞吸能特性的影响。探讨了前纵梁激光拼焊板各部位板厚的多目标优化设计,并给出设计算例。     

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。     

碰撞分析中的有限元应用

交通事故的发生有时不可避免,为了将损失降到最低对车辆碰撞特性进行分析十分重要。整个车身是由薄壁结构组成的,因此在碰撞事故发生时,车身是主要的吸能部件。文章针对碰撞事故,对碰撞特性及车身的吸能情况,以及在碰撞分析中经常使用到的一些有限元分析软件进行了分析,指出多刚体动力学分析软件（MADYMO）是乘员约束系统整合及优化设计的首选工程软件,通过对大型结构的动态有限元分析,提高了研究效率。     

轿车车身概念设计阶段采用梁板混合模型的正面耐撞性仿真研究

根据薄壁梁的轴向压溃和弯曲的基本理论,获取了薄壁梁的刚度特性。采用6自由度非线性弹簧单元和它与梁单元的组合分别代替原方管轴向压溃和弯曲有限元模型中壳单元的分析结果表明,它们能较好地模拟薄壁梁的碰撞变形过程。然后,将其用于建立某轿车前舱结构的梁板混合分析模型,分别用梁板混合模型和原板壳详细模型进行正面碰撞仿真,结果对比表明梁板混合模型不但能和板壳模型同样好地预测轿车的正面碰撞性能,而且可缩减约85%的仿真时间。     

预折管的耐撞性分析和多目标参数优化

本文主要介绍两种预折管,它与传统薄壁管不同的是其管壁上有一些褶皱。文章首先介绍了两种预折管的几何结构;然后建立预折管的有限元模型并验证有限元模型的正确性;其次对预折管的几何参数进行参数分析,发现b(两相邻菱形叶顶点间的长度),l(两相邻菱形叶顶点间的宽度),t(管壁厚度)对结构的吸能特性有着重要的影响;最后对预折管的几何参数进行了对多目标优化,优化目标是获得最小的IPF和最大的比吸能(SEA),通过RBF代理模型和遗传算法二代(NSGA-II)得到了优化的Pareto解集。优化结果显示预折管具有更优的耐撞性,可以作为一种潜在的吸能结构。     

基于有限元模型的汽车前撞中膝关节损伤的研究EI北大核心CSCD

通过对原有下肢有限元模型的改进,开发了膝关节有限元模型,其中韧带采用经有效性验证和考虑应变率的塑性材料,并结合我国人体韧带的厚度重新设定。对改进的模型施加前后方向撞击力,在膝关节弯曲90°情况下,分别探讨了不同的加载高度和加载角度对膝关节损伤的影响。结果表明,轴向载荷小于8kN时,能避免股骨的骨折;加载角度大于8°时,不会对后交叉韧带造成拉伤。     

基于有限元模型的汽车前撞中膝关节损伤的研究

通过对原有下肢有限元模型的改进,开发了膝关节有限元模型,其中韧带采用经有效性验证和考虑应变率的塑性材料,并结合我国人体韧带的厚度重新设定。对改进的模型施加前后方向撞击力,在膝关节弯曲90°情况下,分别探讨了不同的加载高度和加载角度对膝关节损伤的影响。结果表明,轴向载荷小于8kN时,能避免股骨的骨折;加载角度大于8°时,不会对后交叉韧带造成拉伤。     

玻璃／环氧圆柱管理撞击性能研究

研究了玻璃纤维增强环氧圆柱管作为缓冲装置的撞击吸能特性，并与铝合金圆柱管的吸能特性进行比较。研究发现，玻璃/环氧圆柱管的能量吸收性能优于铝合金圆柱管，可以作为可更换式的保险杠支架以提高汽车的耐撞性。研究了铺设角度，破坏模式和引发形式对玻璃/环氧圆柱管能量吸收能力的影响。