基于熵权TOPSIS法的CFRP防撞梁轻量化研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质高强的特点,本文中基于抗撞性要求将某乘用车保险杠原钢制防撞梁替换为CFRP,并进行铺层优化设计。首先对CFRP层合板进行力学性能试验以获得材料参数,并通过三点弯曲仿真试验验证其准确性,然后根据等刚度设计原理,确定CFRP防撞梁的厚度,并通过保险杠低速碰撞有限元仿真对比分析两种材料防撞梁的抗撞性能。在此基础上,以质量、比吸能、最大侵入量和碰撞力峰值为目标,采用熵权TOPSIS方法对CFRP防撞梁进行铺层优化,确定出最优铺层方案。结果表明,在保证抗撞性能要求的条件下,优化后的CFRP防撞梁比原钢制防撞梁减轻了76.82%。     

高强度保险杠横梁结构形式对轿车耐撞性的影响

介绍了一款新型口断面结构的轿车保险杠横梁,并利用LS-DYNA软件针对不同强度、厚度及断面结构的保险杠横梁进行低速碰撞(RCAR)仿真分析。结果表明在应用超高强度钢时,新型口断面结构横梁具有更好的耐撞性能,同时具有轻量化效果。     

纤维编织网-ECC加固RC梁受弯性能试验

为研究纤维编织网-ECC联合加固RC梁的受弯性能,对1根普通RC梁和9根加固梁进行了四点弯曲加载,分析了ECC高度和纤维编织网层数对加固梁破坏形态、裂缝分布和承载力等受弯性能的影响。试验结果表明：加固梁受弯破坏时裂缝细而密,且呈现ECC中多、混凝土中少的分布特点;和普通RC梁相比,加固梁纯弯段混凝土裂缝数量增加33.3%~66.7%;增加纤维编织网层数或ECC高度对提高加固梁裂缝数量影响较小;加固梁承载性能随纤维编织网层数和ECC高度增加而提高,当ECC高度与加固梁截面高度之比为0.5且布置3层纤维编织网时,加固梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和普通钢筋混凝土梁相比分别提高111.11%、37.86%、36.13%;ECC高度和纤维编织网层数对加固梁抗弯刚度影响较小,但影响作用不同;加固梁抗弯刚度随纤维编织网层数增加略有增加,随ECC高度增加略有减小;增加纤维编织网层数或ECC高度可降低加固梁钢筋应变。受弯加载过程中加固梁截面仍保持平面,满足平截面假设。基于正截面受弯承载力计算理论,并考虑纤维编织网利用率,建立了加固梁受弯承载力计算公式。由该公式得到的计算结果与试验结果吻合较好。最后,基于该公式分析了加固梁极限弯矩对ECC高度和纤维编织网层数的敏感性,发现加固梁极限弯矩对纤维编织网层数变化敏感性较低。     

UHPC在槽形钢-混凝土组合梁的应用与分析

以某大跨连续钢-混凝土组合梁为工程背景,对钢-UHPC组合梁和钢-C50混凝土组合梁进行整体和局部对比分析。结果表明,整体计算中,钢-UHPC组合梁的刚度略小于钢-C50混凝土组合梁,基本组合下钢-UHPC组合梁中钢梁应力比钢-C50混凝土组合梁下降约27%。局部有限元分析中,频遇组合下钢-C50混凝土组合梁的桥面板已开裂;钢-UHPC组合梁桥面板的最大拉应力作用范围比钢-C50混凝土组合梁小,仅出现在纵肋下缘,且最大拉应力小于UHPC材料的开裂应力。钢-UHPC组合梁可大幅降低结构自重,进一步减小钢梁截面,有望解决大跨度连续组合梁中桥面板开裂问题。     

燃料电池城市客车结构有限元分析与轻量化设计

建立了带空气弹簧悬架模型的燃料电池城市客车骨架结构有限元模型,并计算其静强度、扭转刚度以及自由振动模态,结果表明燃料电池城市客车设计是安全可靠的。然后对燃料电池城市客车进行计及制造约束的优化。与原设计相比,优化后质量降低8.17%,一阶扭转频率提高7.89%,右前轮悬空工况时的最大应力降低24.42%。     

车架梁截面形状对刚度的影响

通过设计、仿真、实验,探索车架纵梁、横梁截面尺寸和截面形状对车架弯曲扭转刚度的影响,并从理论上进行分析,给出理论依据,最终给出了增加车架弯扭刚度的具体方法。     

Bumper optimum design using the dynamically equivalent beam under various impact conditions

Nowadays it is required for the bumper system to meet the various impact conditions simultaneously; barrier impact, IIHS (Insurance Institute for Highway Safety) bumper impact and pedestrian impact. Firstly, dynamically equivalent bumper beam models were developed for each impact condition and its accuracy was verified by nonlinear finite element analysis result. Dynamically equivalent pedestrian impact beam model was developed by using the equivalent forces of bumper beam and stiffeners. Pedestrian bending angle was obtained by using this equivalent pedestrian beam model. By combining these equivalent beam models, bumper optimum design program was developed. In this optimum design program, direct search method was used for the optimization algorithm. To verify the accuracy of this optimum design program, a nonlinear finite element result was used. By using this optimum design program, it can be secured the bumper impact performances in an early design stage and it will be also contributed to reduce the design time and test costs.     

纵横梁耦合连续体系在城市立交桥分合流位置处的应用分析

城市立交桥在分合流位置常通过采用异形钢结构桥梁,并设置伸缩缝的形式适应桥面宽度的改变。但对于日益增多的城市立交桥改扩建工程,分合流位置有时需要设置大型门架横梁跨越地下管网或构筑物,此时在该处设置伸缩缝会因主梁与横梁高度的叠加,导致结构高度过大。为研究该情况下的桥梁结构选型问题,提出在分合流位置采用纵横梁耦合的连续体系方案,借助有限元计算方法,对该类桥型的结构可行性进行分析,并讨论了支座横向偏心、门架横梁弯曲刚度对内力状态、整体刚度及支反力的影响,以期探明该类桥型的受力特点及关键力学参数。结果表明：恒载状态下的支反力均匀程度可作为控制性指标,检验该类桥型的受力合理性;适当增大门架横梁的弯曲刚度,可有效控制结构的竖向及扭转变形。     

全承载式大客车车身结构多目标优化

建立了全承载式大客车车身骨架的有限元模型,对车身骨架结构进行了振动模态和静力学分析.然后对车身骨架结构进行设计参数灵敏度分析,得出车身骨架扭转刚度和一阶扭转频率对各部件设计参数的灵敏度.在此基础上,以车身骨架杆件厚度为设计变量,通过两阶段结构优化设计,在整车骨架质量增加很少的条件下,提高了整车结构的扭转刚度和一阶扭转频率值;同时,一轮悬空工况下的整车结构应力峰值明显下降,应力分布更加均匀,整车骨架结构设计更为合理.     

Theoretical method for predicting the weight reduction rate of a box-type car body for rolling stock by material substitution design

In this paper, a theoretical approach is suggested for predicting the structural performances and weight reduction rate of a car body with a box-type section when its material is substituted with a lightweight material for weight saving. For the material substitution design of a car body for rolling stock, bending, axial, and twisting deformations should be considered at constant stiffness and strength conditions. To compare the weight reduction effects on different material applications, some new indices were derived from a structural performance point of view. The derived indices provide good measures to estimate weight reduction by material substitution design and can be effectively applied to the conceptual design of a car body.     

组合梁抗弯极限承载力参数影响分析

为研究组合梁抗弯极限承载力的参数影响规律,利用有限元软件ABAQUS建立有限元模型进行数值模拟.结果表明,钢梁强度、钢梁腹板厚度、钢梁腹板高度、钢梁上下翼缘厚度、栓钉直径均可不同程度地影响组合梁的抗弯极限承载力.其中钢梁强度由235 M Pa提升至390 M Pa时,组合梁极限承载力提升了43.7％,钢梁腹板厚由4 m...     

横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱轴压力学性能

横肋波纹板-方钢管(CPST)约束混凝土柱是由横肋波纹板与四角钢管焊接而成,并在腔内浇注混凝土形成的横肋波纹板约束核心混凝土、方钢管与混凝土共同承担轴向荷载构件。为了研究横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱的轴压性能,开展了3根横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱轴心受压试验。由于横肋波纹板具有较高的侧向刚度,核心混凝土能够得到较好的约束,但波纹板基本不承担轴向荷载,试件最终的破坏形式依次为方钢管局部屈曲、横肋波纹板向外鼓曲、方钢管内混凝土及核心混凝土均被压碎。在此基础上,利用ABAQUS分析了6类关键参数:混凝土的强度、正方形钢管/横肋波纹板的壁厚和抗压强度、钢管的截面尺寸。研究结果表明:如果提高混凝土强度,则抗压承载力提高,而延性降低;方钢管的厚度增加对柱的承载力和延性均有提升;方钢管的强度变高,承载力也随之提高;如果增加横肋波纹板的厚度,则承载力、延性都提高;横肋波纹板强度的变化对承载力影响不大,对延性有所提升;随着方钢管外截面尺寸变大,承载力呈现出提高的趋势。最后,基于Mander等提出的约束混凝土抗压承载力计算公式,通过引入综合影响变量,提出了计算横肋波纹板-方钢管约束混凝土短柱抗压强度的公式,期望为工程实践提供指引。     

某轿车保险杠横梁结构抗撞性优化

针对某轿车在进行车速为56 km/h的正面40％偏置碰撞试验中,前保险杠横梁断裂、乘员舱侵入过大问题,主要从抗弯性能和材料等方面对前保险杠横梁提出改进方案,并利用有限元仿真方法对保险杠横梁改进方案进行仿真计算.试制改进方案样件进行了车速为56 km/h的正面40％偏置碰撞试验,试验结果表明,改进方案解决了原保险杠横梁断...     

锚贴U形钢板-混凝土组合加固RC梁的抗弯试验

为了研究锚贴U形钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能,设计5根加固梁和1根对比梁进行抗弯试验。试件的主要设计参数包括有无加载历史、钢板纵向加固长度、钢板厚度和螺杆间距。加载仪器采用1 000 kN梁柱加载系统,应变采集使用静态应变分析系统,挠度采用机电百分表测量。试验过程中,观测记录试验梁在荷载作用下截面应变、跨中挠度、加固部分与原混凝土之间的相对滑移、裂缝的产生与发展。基于平截面假定,推导试验梁的极限抗弯承载力计算公式,并对比模型试验与理论分析结果。试验结果表明：与未加固的对比梁相比,锚贴U形钢板-混凝土组合加固后的试验梁其开裂弯矩提高近50%,极限抗弯承载力提高约1倍;钢板纵向加固长度对梁的整体刚度有显著的影响,加固范围越大刚度提升越显著;加固范围应充分考虑加固部分截断处截面的抗剪能力,避免使试件从塑性弯曲破坏模式变成脆性剪切破坏模式;对比螺杆间距15 cm与30 cm试验梁的结果发现,只要符合构造要求的螺杆间距对试件的承载能力影响很小,但对裂缝开展有一定的影响,螺杆间距越密其裂缝开展明显变小;随着加固钢板面积增大,抗弯承载力也随之提高。针对加固后适筋破坏的RC梁,推导了极限抗弯承载力计算公式,利用公式计算出的极限抗弯承载力的理论值与试验值相对差值均在10%以内。     

锈蚀对Q550E高性能钢梁抗弯承载力影响的试验研究

为研究Q550E高性能钢结构锈蚀后的力学性能,制作7片锈蚀H形高性能钢梁,利用通电加速腐蚀的方法对钢梁进行锈蚀,通过抗弯性能试验,分析锈蚀对高性能钢梁的应变、挠度、承载力以及刚度退化等的影响。试验研究表明：锈蚀显著降低了高性能H形钢梁的承载力,锈蚀率每增加1%其屈服荷载与极限荷载大约减少11 kN;随着锈蚀率的增加,钢梁延性系数均呈下降趋势;钢梁的锈蚀降低了梁的实际屈服强度,使局部屈曲提前发生;试件在达到极限荷载前应变基本符合平截面假定,表明锈蚀基本上不改变高性能钢结构的应变分布;在弹性阶段的钢梁抗弯刚度将会发生退化,其退化速度与锈蚀率呈线性关系。     

扭转梁悬架碳纤维复合材料横梁结构优化

鉴于碳纤维增强复合材料(CFRP)轻质高强的特点,本文中将某乘用车扭转梁悬架原钢质横梁用碳纤维复合材料替代,并进行结构优化设计。首先,通过碳纤维增强复合材料层合板力学性能试验获得材料力学参数,建立悬架扭转梁有限元模型,并对扭转梁中的碳纤维复合材料横梁截面进行改进设计。在此基础上,综合考虑横梁质量、刚度和工艺约束,对CFRP横梁进行铺层厚度、角度和铺层顺序的多层次优化。优化后,在满足各项性能指标的情况下,碳纤维增强复合材料横梁比原钢质横梁轻量79.34%,取得显著的轻量化效果。     

配筋UHPC矩形梁抗扭承载性能试验与计算方法

针对配筋超高性能混凝土（UHPC）构件的抗扭性能研究严重不足的状况，进行10个不同配筋率UHPC矩形梁的纯扭试验。研究参数主要包括钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率。观察或测试试件的扭转破坏过程及形态，获得裂缝开展及分布情况、失效模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-UHPC应变曲线、扭矩-钢筋应变曲线、开裂扭矩及极限扭矩等数据，分析不同参数对其扭转性能的影响规律及其主要机理。研究结果表明：扭矩不大于无筋UHPC试件极限扭矩时，配筋构件抗扭刚度小于无筋构件；配筋及无筋试件的纯扭破坏均表现为多条主裂缝贯通，且裂缝呈空间螺旋状分布；无配筋试件形成少量斜裂缝，极限扭率较小，破坏过程迅速；配筋试件形成细且密的斜裂缝、极限扭率较大、延性更好；根据实测的极限扭矩扭率增幅情况，以及纵、箍筋屈服情况，受扭的UHPC配筋试件可分为少筋Ⅰ类构件（含无筋构件）、少筋Ⅱ类构件、适筋构件、部分超筋构件、超筋构件；钢纤维改善了UHPC抗拉特征，使得主裂缝开裂角度（裂缝与试件轴线的夹角）增加；钢纤维掺量由2.5%增加到3.5%，试件开裂扭矩和极限扭矩分别提高了23.2%和20.9%。在试验的基础上，根据扭转试件即将开裂时实测的拉压应力状态以及二维应力状态下的强度准则，得到UHPC构件开裂扭矩系数值；最后，根据试验结果得到了UHPC极限扭矩计算公式的截面抗扭系数。     

体外预应力钢-混结合梁桥温度效应分析

针对简支体外预应力钢-混结合梁,考虑钢梁与混凝土之间的相对滑移,温度沿混凝土截面线性分布,体外预应力筋直线布置,剪力钉所受到的剪力和钢梁与混凝土板的相对滑移呈线性关系,推导出结合梁及体外预应力筋由温度效应产生的内力计算公式。通过算例与有限元分析进行对比,并讨论了在日照温度效应下,各种因素对体外预应力钢-混结合梁温度应力的影响。结果表明:公式法和有限元法计算结果吻合;日照温度效应使简支结合梁的混凝土板受压,钢梁顶部受拉,底部受压,对体外预应力筋应力影响很小;当剪力钉刚度足够大时,温度应力不随剪力钉刚度变化而变化,剪力钉布置和桥梁跨度对体外预应力钢-混结合梁温度应力的影响不大。     

钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能试验

为研究钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能,考虑华夫板板肋高度比、纵筋配筋率以及采用抗拔不抗剪栓钉连接件对钢-UHPC华夫板组合梁的破坏模式、裂缝发展规律及承载能力的影响,采用跨中单点加载方式完成了4根钢-UHPC华夫板组合梁试件在负弯矩作用下的静力加载试验。基于简化塑性理论,并考虑将UHPC受拉区的拉应力分布等效为均匀应力分布,提出了负弯矩区钢-UHPC华夫板组合梁的极限抗弯承载力计算方法。研究结果表明：负弯矩作用下,4根钢-UHPC华夫板组合梁试件的破坏形态均为典型的弯曲破坏;极限状态下,华夫板内纵向受拉钢筋屈服,钢梁上翼缘受拉屈服,钢梁下翼缘受压发生局部屈曲,华夫板跨中主裂缝贯通,其余裂缝呈现密集分布且纤细的特点。保证华夫板总高度90 mm不变,板肋高度比由1∶1减小为1∶2会加剧华夫板的裂缝开展,使试件的开裂荷载和初始刚度略有降低,但承载能力基本不变。华夫板配筋率增大1.05%,试件的承载力与刚度分别提高18.4%与7.7%,并且有助于约束华夫板的裂缝宽度。采用抗拔不抗剪栓钉连接件可在一定程度上抑制试件在正常使用阶段时的裂缝开展,但会导致试件承载力、刚度和延性下降,下降幅度分别为6.9%、9.6%和19.7%。根据所提出的钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区极限抗弯承载力的理论计算公式所得的计算值略低于试验值,且相对误差在10%以内。     

考虑行人腿部保护和低速碰撞特性的保险杠系统概念设计

建立了分析保险杠系统行人腿部保护和低速冲击特性的概念模型,对模型进行了试验设计分析.基于方差分析方法,研究了保险杠系统的几何参数和刚度特性参数对其行人腿部保护和低速冲击特性的影响.综合考虑这两方面性能的要求,进行了保险杠系统的联合优化设计,给出了优化设计方案.