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。     

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。     

薄壁结构在汽车吸能盒中的应用与展望

汽车安全性能是消费者购车时的关键考量因素。其中汽车的耐撞性能尤为关键,其核心部件吸能盒可以通过变形和压溃等机制吸收冲击能量,从而更大限度地保护乘客安全。为优化薄壁结构吸能盒性能,提高车辆耐撞防护性,分析了薄壁结构吸能盒的性能评价指标及其结构类型,揭示其变形吸能特征,最后提出对未来薄壁吸能盒发展的策略和建议,旨在为汽车安全领域的研究和实践提供思路。     

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。     

材料参数对车身吸能元件抗撞性影响的数值分析

基于数值分析方法研究了材料参数对车身薄壁吸能构件抗撞性的影响.以材料参数为变量,选取多个离散的设计点,用显式有限元分析,求得这些点的比吸能;采用响应面法建立了表示比吸能随材料参数而变化的曲面,和高次多项式拟合时的相对误差曲线.最后给出了有限元分析得到的构件轴对称叠缩变形图,与试验结果吻合很好,表明响应面法与显式有限元技术相结合的方法可行有效.     

薄壁直梁碰撞性能仿真和参数影响分析

为研究材料及其厚度和结构圆角对汽车主要吸能结构前纵梁的碰撞性能的影响,建立了模拟前纵梁的薄壁直梁有限元模型,对其进行了正面碰撞仿真,并分析了材料与结构参数对薄壁直梁碰撞吸能的影响。结果表明,在相同的压溃距离下,直梁吸能与材料强度呈指数小于1的幂指数的增长关系;与厚度呈现指数大于1的幂指数的增长关系;单位质量下壁梁圆角部分的吸能是平面部分的3倍左右。     

S形梁碰撞多参数优化设计

提出了一种新的碰撞优化方法,即将试验设计(DOE)、有限元分析(FEA)、响应面法(RSM)和遗传算法(GA)结合起来,对S形薄壁梁多结构参数进行抗撞性优化设计.通过提取实际车架上使用的S梁特征参数,建立了S梁的碰撞模型.运用方差分析(ANOVA),选取那些对S梁吸能特性影响显著的因素作为主要设计变量,采用显式非线性有限元软件PAM-CRASH进行碰撞模拟.根据有限元分析结果并结合响应面理论,建立了S梁的总吸能和最大冲击载荷的响应面模型.采用遗传算法进行优化求解,得到了S梁的最优设计参数.优化后的S梁在碰撞中的总吸能能力大大提高.     

预溃拉伸吸能结构的构建、分析与优化

本文中基于对拉伸吸能方案优越性的分析,创新性地提出了一种能有效提升碰撞吸能性能的预溃拉伸吸能结构。首先通过吸能盒的压缩试验和标准拉伸样件的拉伸试验,表明了拉伸吸能具有更高比吸能的优点。随后构建了一种利用吸能杆拉伸吸能的预溃拉伸结构,通过有限元碰撞仿真分析其碰撞形变和吸能特性,并对其板厚参数进行优化。结果表明:新型结构充分发挥了材料拉伸吸能原理的优势,其比吸能比传统结构高40%,碰撞安全性能明显提升。     

高速冲击下一种新型吸能部件的特性研究

为了研究一种新的多边形截面吸能部件的工程应用性,采用显式动力有限元方法模拟薄壁结构在轴向冲击下的屈曲,分别建立了圆形截面吸能部件、矩形截面吸能部件和新型吸能部件的有限元碰撞模型并在当前高速碰撞有限元分析中考虑材料的应变率效应.通过数值计算观察3种类型部件的变形模式和压皱力.数值计算的结果表明在重量相同、厚度相同以及长度相同的情况下,新型吸能部件与矩形截面吸能部件和圆形截面吸能部件相比在变形过程中吸收冲击能量的能力提高.     

薄壁箱梁截面抗扭参数的简化计算方法

通过对薄壁箱形截面杆件扭转特性的分析,提出利用空间有限元分析软件的分析功能来计算薄壁箱梁截面几何特性参数的新途径。建立空间悬臂梁模型,其截面为所要计算的薄壁箱形截面,在梁悬臂端施加集中扭矩,根据分析求得梁悬臂端相邻截面的扭转角和截面变形,即可推算出该薄壁箱形截面的抗扭参数。为提高计算精度,可按精确截面形式输入。结果表明:该方法的实施过程简单,计算结果精度高,用户借助于自己熟悉的任何空间有限元分析软件均能实现这一功能。     

Design optimization of thin-walled circular tubular structures with graded thickness under later impact loading

In order to improve the crashing performance under lateral impact scenario, a thin-walled circular tube with functionally graded thickness (FGT) is introduced with its superior performance in this paper. The wall thickness of the FGT tubual structure is graded along the axial direction. Based on the assumed graded thickness function, several important parameters (such as the graded exponent, the tube diameter and yield stress) are selected and their effects on dynamic energy absorption characteristics are discussed. The analyzed results show that the FGT has better crashworthiness in special energy absorption (SEA) and crash force efficiency (CFE) than uniform thickness (UT) tube. Then, the optimization design is further employed to obtain the Pareto fronts of the graded configuration under lateral impact loading. Note that the specific energy absorption (SEA) and crashing force efficiency (CFE) are regarded as the objectives, and the grading exponent, yield stress and diameter are defined as the design variables. The surrogate model with the best accuracy is chosen by error analysis for improving the accuracy of optimization process. Thus, the optimal solution is reasonably obtained and analyzed. The optimal results indicate that the FGT structures have significant potential applications into vehicle body especially under later impacting event.     

新型组合结构高墩的静力学分析方法

特大跨桥梁的塔柱以及超高桥梁的墩柱通常采用薄壁截面形式，以克服自重过大的问题。当薄壁墩柱遭遇强地震作用时，通过墩柱产生塑性铰来耗散地震能量，保护整体结构的安全性。但薄壁墩柱存在耗能能力有限、修复困难的缺陷，为便于概念设计，通过对该结构体系进行力学简化，使用连续连杆法对受力特征进行分析，建立了相应的力法方程并对其理论求解方法进行推导；根据位移等效原则，求解出顶部受集中力的悬臂墩等效惯性矩，便于计算顶部位移；提出了比例参数的概念，用于结构构件进行参数优化，可方便、有效地实现结构的力学性能设计；为验证连续连杆法、等效惯性矩计算方法的可靠性，进行了有限元数值分析。研究结果表明：解析解与试验结果及有限元分析结果吻合较好；提出的新型自耗能高墩兼具较大的耗能能力和可恢复性的优势；采用连续连杆法分析新型自耗能高墩结构体系的内力和位移是可行的。所得结果对新型自耗能高墩结构体系的设计具有指导性，利用等效惯性矩求解结构的顶点位移可以很好地满足设计精度要求。     

钢管压扁吸能式减速护栏方案可行性研究

基于钢管压扁吸能机理,通过在组合式护栏的横梁上设置钢管吸能构件,设计出一种适用于雅泸高速公路连续长大下坡路段的减速护栏。根据计算机仿真分析结果可知,车辆贴靠碰撞减速护栏时钢管压扁变形,使车辆的动能转化为吸能钢管的内能,可有效降低车速。设置吸能钢管可减小组合式护栏的最大动态变形量和横梁变形范围,对组合式护栏的碰撞后维护是有利的,吸能钢管在车辆碰撞护栏过程中的性能表现可满足设计要求。     

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。     

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。     

钢箱梁的声振特性及影响因素研究

为分析钢箱梁的声振特性，联合锤击试验和统计能量分析（SEA）方法从统计能量分析参数和声振响应两方面进行研究。首先，以某钢箱梁节段[10.1 m（长）×4.8 m（宽）×3.1 m（高）]为对象，通过锤击激励获得顶板和底板不同位置的加速度频响函数。然后，建立SEA模型预测钢箱梁的振动声辐射，考察了各板件在100~5 000 Hz频段的模态数，并将加速度频响函数的仿真结果与实测值进行对比。最后，通过数值仿真分析，探讨了结构设计参数（加劲肋和横隔板）对统计能量分析参数和钢箱梁声振响应的影响规律。研究结果表明：除个别频带外，顶板和底板不同测点位置的加速度频响函数没有显著差异；SEA方法可较精确地预测钢箱梁的高频振动噪声，且相比有限元方法具有更高的计算效率；设置加劲肋后，板件的模态密度和输入功率均下降，子系统间的耦合程度降低，但板件的辐射效率增大；设置加劲肋后，顶板和底板的振动速度级在每个频带平均下降8.2 dB和6.7 dB，钢箱梁声功率级在每个频带平均减小3.1 dB（A）；相比加劲肋厚度而言，加劲肋间距对钢箱梁声振响应的影响更大，应优先作为声学优化的主要参数；横隔板可在一定程度上降低板件的振动响应，取消横隔板将导致钢箱梁声功率级在每个频带平均增大1.3 dB（A）。