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。     

基于正交设计的汽车前纵梁吸能结构的优化

为了增强某款SUV车的耐撞性,提出了一种带诱导槽的八边形结构、可逐级吸收碰撞能量的前纵梁,并建立了其准静态纵向压溃和台车碰撞两种有限元模型。在台车模型中考虑了台车质心位置和车轮模型的刚度、高速旋转与摩擦特性的影响;采用正交试验设计法对前纵梁的材料、壁厚和焊点位置进行了优化,并将优化结果用于底盘结构。底盘耐撞性试验结果表明,优化后结构具有较好的吸能能力。     

碳纳米聚氨酯泡沫结构及其改善B柱吸能特性研究

鉴于碳纳米管高强度和高刚度的特点,制备了一种碳纳米聚氨酯泡沫复合材料,采用试验与仿真相结合的方法探讨碳纳米聚氨酯泡沫及其填充薄壁管复合结构的压溃机理、吸能特性和应用效果。通过准静态压缩试验获得不同碳纳米含量泡沫材料的载荷-位移曲线,并对比其承载和吸能能力,确定添加碳纳米管的最佳质量比;对薄壁管和泡沫填充薄壁管的吸能特性进行试验和仿真,验证泡沫填充结构有限元模型的有效性;最后将碳纳米聚氨酯泡沫填充于某轿车B柱来验证吸能效果。结果表明,填充该材料后的B柱最大侵入量和侵入速度均有明显降低,在满足轻量化的前提下,具有良好的吸能特性。     

碳纳米聚氨酯泡沫结构及其改善B柱吸能特性研究EI北大核心CSCD

鉴于碳纳米管高强度和高刚度的特点,制备了一种碳纳米聚氨酯泡沫复合材料,采用试验与仿真相结合的方法探讨碳纳米聚氨酯泡沫及其填充薄壁管复合结构的压溃机理、吸能特性和应用效果。通过准静态压缩试验获得不同碳纳米含量泡沫材料的载荷-位移曲线,并对比其承载和吸能能力,确定添加碳纳米管的最佳质量比;对薄壁管和泡沫填充薄壁管的吸能特性进行试验和仿真,验证泡沫填充结构有限元模型的有效性;最后将碳纳米聚氨酯泡沫填充于某轿车B柱来验证吸能效果。结果表明,填充该材料后的B柱最大侵入量和侵入速度均有明显降低,在满足轻量化的前提下,具有良好的吸能特性。     

某中型校车顶部强度分析与结构改进

依照相关标准和法规,对某型校车车身顶部强度进行静态压溃、准静态压溃和整车跌落的仿真研究,系统评价校车车顶结构的抗压强度特性,并对关键承载结构进行改进。     

棱边强化薄壁方管静动态轴压理论和仿真研究

本文旨在对棱边强化薄壁方管的静动态轴向压溃进行研究。首先分析了方管静态平均压溃力公式中的能量等效流动应力选取方法及其对理论预测结果的影响,之后结合Cowper-Symonds经验公式,导出了动态平均压溃力公式。同时基于Hypermesh 9.0建立了440A原始和棱边强化薄壁方管静动态轴向压溃有限元模型,仿真再现了塑性变形过程和压溃力波动状况,仿真值与理论值吻合得较好,最大偏差不超过4.0%。最后,制作若干个棱边塑性应变强化的35钢方管,进行压溃试验,验证了静态轴向压溃理论的有效性,理论值与试验值之间偏差仅为7.1%。本研究为棱边强化薄壁部件的强度设计及其在车身结构中的应用提供了参考。     

基于宏观断裂力学的CFRP薄壁结构耐撞性能研究及应用

为了研究碳纤维增强复合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastics，CFRP）薄壁圆管在准静态轴向压溃过程的压溃失效形式和吸能特性，提出一种基于宏观断裂力学理论基础的本构模型。通过对比试验和仿真结果，发现比吸能和平均力误差均小于1%，这验证了宏观断裂力学分析方法的合理性。为了进一步研究复合材料在汽车前纵梁吸能部件中的应用，从耐撞性能和轻量化角度出发，对比了CFRP前纵梁和钢质前纵梁的仿真结果。结果表明，在相同前纵梁结构件中，CFRP前纵梁的能量吸收能力要大于钢质前纵梁的能量吸收能力。     

点焊连接的有限元建模方法研究

基于点焊单搭接剪切拉伸试验,在ANSYS软件环境中模拟点焊连接的力学特性,从材料模型、计算模型等方面,尤其是焊点单元与基材单元的连接方式对点焊连接在剪切拉伸工况下的建模方法进行研究.针对焊点单元与基材单元的共节点连接、MPC连接、节点耦合连接3种情况,通过模拟计算结果与真实试验结果的比对,得出较为精确的焊点连接模拟方法...     

用有限元方法分析传动轴轴管几何参数对溃缩力的影响

首先用有限元方法模拟轴管的准静态溃缩过程,得到溃缩力随溃缩距离变化的曲线,并通过和试验结果的对比,验证了有限元分析方法的有效性。在此基础上,通过采用部分因子试验设计和田口(Taguchi)试验设计等正交试验设计方法,系统研究几何形状因素对轴管溃缩力的影响,为可溃缩型轴管的几何参数设计提供依据。     

轿车车顶压溃仿真与结构耐撞性研究

参照美国FMVSS 216和SAE J996标准,对某轿车车顶进行了准静态压溃和整车跌落的仿真研究,提出了准静态压溃和整车跌落下的车顶强度评价方法,分析了车顶作用力与压溃深度的关系以及整车应力分布情况,并对主要力承载结构进行耐撞性研究,提出基于碰撞吸能的改进方案。结果表明:改进后车顶抗变形能力提高了24%,车顶最大变形量减小了34 mm,并且零件质量减轻3.45 kg,该仿真方法为开展车顶强度方面的研究提供了借鉴。     

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。     

基于风洞试验的变截面圆灯柱涡激振动与影响因素研究

为了研究某实桥变截面圆灯柱发生的风致二阶振动现象，采用多段薄壁空心铝管焊接并覆盖泡沫管和柔性PVC薄膜的方法，设计制作了满足相似比要求的变截面灯柱气弹模型，解决了低质量比、低阻尼比变截面细长结构风洞试验不便模拟的问题。通过风洞试验，采用非接触式视频测量位移系统和眼镜蛇探针测试了不同风速下灯柱位移响应和尾流风速，重现了灯柱的二阶振动现象，通过分析确定其为涡激振动；采用傅里叶变换和小波分析研究了变截面灯柱的涡脱频率和涡激振动时频特性；开展了不同焊缝位置对灯柱涡激振动影响研究，分析了3种不同螺旋线布置方式对灯柱涡激振动的抑制效果。研究结果表明：灯柱在涡激振动锁定区内发生单一模态的涡激振动，运动轨迹为清晰的椭圆形，而在锁定区外发生多模态振动；变截面灯柱中部存在一定长度的控制区域，当中部控制区域涡脱频率接近结构固有频率时即发生涡激振动锁定现象，当中部控制区域脱离锁定频率，此时圆柱的涡激振动响应迅速降低；灯柱涡激振动响应受焊缝的位置影响显著，不同的焊缝位置可能抑制或者增强涡激振动；8 cm螺距双螺旋线能够有效控制灯柱模型涡激振动响应。     

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。     

钢管混凝土哑铃形拱肋灌注混凝土时的截面应力分析

针对钢管混凝土哑铃形拱肋灌注混凝土时容易发生爆管事故的问题,建立了有限元模型,对灌注管内混凝土时钢管拱肋的截面应力进行了分析。分析时考虑了各种灌注顺序和工况。分析结果表明:哑铃形截面在灌注腹腔混凝土时,钢管与腹板交接处将产生很大的应力,是产生爆管事故的主要原因。哑铃形截面灌注混凝土时的受力情况与灌注顺序有关,灌注的顺序以先腹腔后两管的顺序最为不利,先两管后腹腔的受力较为有利。为防止爆管事故,建议采用拉杆或型钢加劲腹板,并采用分腔灌注。     

斜拉桥钢锚拉板区域焊接应力消除试验研究

对重庆江津观音岩大桥索梁锚固区域部分进行了3个足尺比例试件的焊接残余应力测试,并对其焊缝进行了超声波冲击试验,以研究超声波冲击对钢锚拉板区域各焊缝应力的影响情况。测试和试验研究结果表明,钢锚拉板区域各焊缝存在着相当大的焊接残余应力,特别是在平行于焊缝长度方向的应力,不少测点已接近屈服强度。通过采用超声波冲击工艺,大幅度地减小和消除了该区域的焊缝残余拉应力,3个试验试件的各焊缝在平行和垂直于焊缝长度方向的应力平均下降50%以上,最大的下降96.5%,不少测点应力已由拉应力变为了压应力,有效地改善了应力的状态,从而使结构的受力更合理,应力分布趋于均匀。超声波冲击可以作为一种解决斜拉桥桥钢锚拉板区域焊接应力过大问题的有效的方法,对提高接头的疲劳寿命有明显作用。     

交替荷载作用下钢材本构模型的适用范围

以箱形截面钢桥墩作为数值分析对象,分别使用修正双曲面模型、等向强化模型和随动强化模型预测钢桥墩在正负交替荷载作用下的滞回性能;并通过计算与试验结果的对比,探讨了这3种钢材本构模型的各自预测精度和适用范围。结果表明:修正双曲面模型能预测箱形薄壁截面和箱形厚壁截面钢桥墩的滞回性能;等向强化模型和随动强化模型仅适用于预测箱形稍薄截面钢桥墩的滞回性能,对于箱形厚壁截面钢桥墩,其预测结果则不够理想。     

RC空心墩等效塑性铰长度理论模型的试验研究

既有等效塑性铰长度模型考虑了诸多因素的影响，但对塑性铰形成过程中纵筋拉伸漂移影响的关注不够，针对变截面空心墩塑性铰的研究也较少。为探讨变截面空心墩塑性变形特性，建立空心墩通用的塑性铰模型，在已有试验成果的基础上，开展了5个变截面圆端空心墩的拟静力试验。考虑变截面及墩底实心段的影响，假定了墩身曲率分布，给出了变截面圆端空心墩墩顶位移能力的计算方法；基于塑性位移等效原则，推导出考虑弯曲、纵筋拉伸漂移和黏结滑移影响的塑性铰长度待定参数模型，根据文献中7个等截面和本文变截面空心墩的试验结果，对待定参数进行标定，得到等截面和变截面空心墩等效塑性铰长度的统一模型，并采用另外6个试验结果验证了所给模型的适用性。研究结果表明：由于墩底实心段、倒角和墩身变截面的共同影响，变截面圆端空心墩塑性铰区整体上移，极限状态时钢筋拉断/屈曲及混凝土压溃主要集中在墩底空心倒角上缘附近；塑性铰长度随墩高L、截面宽度h、剪跨比λ和应变渗透参数(f_yd_b/√f'_c)近似呈线性变化；既有模型给出的等截面矩形空心墩塑性铰长度结果中，Priestley、李贵乾和韦旺的估值略高；所提模型的计算结果具有更高的精度和更小的离散性，适用于估算等截面和变截面空心墩的等效塑性铰长度。     

Effect of punch angle on energy absorbing characteristics of tube-type crash elements

As a crash energy absorber, a tube-type crash element (expansion tube) dissipates kinetic energy through the internal deformation energy of the tube and through frictional energy. In this paper, the effects of the variation of punch angles on the energy-absorbing characteristics of expansion tubes were studied by quasi-static tests using three punch angles (15°, 30°, and 45°). A finite element analysis of the tube expanding process (m = τ _max /K) was performed using a shear friction model to confirm the variation of the shear friction factor with respect to punch angles using the inverse method. Additional analyses were performed using angles of 20°, 25°, 35°, and 40° to study the effect of the punch angles on the internal deformation energy, frictional energy, and expansion ratio of the tubes. The results of the experiment and finite element analysis showed that the shear friction factor was inversely proportional to the punch angles, and a specific punch angle existed at which the absorbed energy and expansion ratio remained constant.