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。     

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。     

分层多胞方管多角度载荷下结构耐撞性分析

交通事故中汽车薄壁管结构具有重要吸能作用。通过仿真分析刚性墙多角度压溃下分层多胞方管和普通多胞方管的吸能特性发现，0°、10°加载情况下，普通多胞薄壁方管的吸能特性更优；20°、30°加载情况下，普通金属多胞薄壁方管较易发生全局弯曲导致吸能力明显下降，分层多胞薄壁方管可在一定程度避免发生全局弯曲，大角度加载情况下分层多胞方管的吸能特性更优。     

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。     

汽车薄壁梁斜向碰撞性能仿真研究

针对薄壁梁在斜向碰撞中出现的吸能和抗弯能力不够等问题,分别采取填充蜂窝铝材和增加壁厚两种方法进行改进。对改进前后的薄壁梁进行斜向碰撞仿真,获取薄壁梁的截面力和吸能曲线。结果表明,填充蜂窝铝材的薄壁梁在斜向碰撞中有较好的溃缩模式和吸能能力。     

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。     

全承载客车正面碰撞吸能器设计与验证

为开发大型全承载客车碰撞吸能器,通过整车正面碰撞有限元仿真分析,确定了吸能器合理的吸能量和压溃力,以压溃力为目标进行吸能器结构参数设计。采用铝合金和DP600钢试制了吸能器样件,通过静态压溃试验对比不同吸能器的压溃力和变形模式,并通过台车碰撞和整车碰撞试验验证吸能器性能。结果表明,铝合金吸能器的压溃变形模式稳定,材料没有撕裂现象,在正面碰撞、偏置碰撞、斜角碰撞等多种碰撞工况下都能产生良好变形,满足整车碰撞安全性的要求。     

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.     

薄壁直梁件碰撞诱导变形模拟分析

采用LS-DYNA软件对某薄壁直梁件开设的8种诱导结构进行碰撞仿真研究。分析了不同诱导结构对薄壁直梁件压溃模式、载荷变化和能量吸收情况的影响。初步认为,不加诱导结构时薄壁直梁件的变形模式不稳定;薄壁直梁件在轴向压溃过程,对侧壁上的孔不敏感;侧壁上诱导槽的开设形式对薄壁直梁件压溃影响较大。     

客车碰撞缓冲吸能装置研究

文章基于客车前部耐撞性结构特点,提出客车用碰撞缓冲吸能装置的设计要求。通过仿真和试验的方法,对不同截面形状、材料、加工工艺的碰撞缓冲吸能装置的吸能能力、变形模式和平均碰撞力进行详细分析。结果显示采用6063P铝合金制作的吸能装置变形模式稳定,压溃力曲线平稳,满足设计要求。     

压弯联合作用下薄壁梁轴向压溃的条件

对薄壁梁在轴向压力和弯矩联合作用下产生的弯曲和轴向压溃两种变形模式进行了理论分析,研究了其对应的载荷条件,并建立了薄壁梁的有限元模型,对理论分析结果进行了数值验证和进一步的探究。结果表明,对于受压、弯组合载荷作用的薄壁梁,当截面所受弯矩小于其截面极限弯矩的15%时,可以避免弯曲变形而只产生轴向压溃;合理的诱导可有效地避免弯曲的产生。     

一种内嵌CFRP的汽车铝合金前纵梁吸能特性研究

提出一种内嵌碳纤维复合材料(CFRP)的汽车铝合金前纵梁结构,研究了内嵌CFRP对铝合金前纵梁吸能特性的影响。通过仿真验证内嵌CFRP可改善铝合金前纵梁吸能特性,并制备前纵梁试样进行轴向冲击试验,分析铝合金前纵梁压溃过程和吸能特性,并研究了斜向冲击下前纵梁吸能特性。结果表明:在轴向冲击下,内嵌CFRP可显著改善汽车铝合金前纵梁的吸能特性,比吸能和碰撞力效率最大分别提高32%和35%,加强CFRP层合板横向支撑和增加CFRP层合板厚度可提高前纵梁的比吸能;在斜向冲击下,提供良好横向支撑的CFRP内嵌方式可有效改善铝合金前纵梁压溃形式,与单一铝合金前纵梁相比,明显提升了斜向冲击的吸能效果。     

变壁厚防撞吸能盒轴向压溃过程的实验研究

以汽车防撞吸能盒部件为应用对象,对比分析了由差厚板和激光拼焊板制作的变壁厚圆管在轴向压溃下的载荷-位移曲线特点、失效模式和吸能效果。结果表明,在准静态轴向加载条件下,与拼焊管相比,差厚管的变形模式为混合模式,更加稳定,且平均载荷较大,能吸收较多的能量。     

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。     

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。     

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°。     

基于抗撞性和设计空间的薄壁直梁参数优化

运用碰撞仿真技术,对能够代表汽车前纵梁的6种薄壁直梁进行了截面形状选择;针对所选取的较优截面形状直梁的截面尺寸、板厚和材料强度进行了正交试验设计,以吸能、比吸能和压溃距离为主要评价指标建立了响应面模型并进行优化.结果表明,优化后的直梁在质量仅增加3.2％的情况下,不仅抗撞性明显提高,而且设计空间下降了约27.1％.     

基于理论推导的前端结构耐撞性设计

为使车身结构耐撞性开发工作更早地介入到项目开发中来,并获得理想的前端结构压溃模式以及碰撞波形,推导了前端结构断面力以及长度的理论方法。引入三阶等效波形的设计方法,将碰撞波形分为:吸能盒压溃阶段﹑纵梁前端压溃阶段﹑纵梁后端以及前围侵入3个阶段;分别设定每个阶段前期的波形目标,推导结构的断面力;依据能量守恒原理,推导每个阶段结构的长度。仿真验证了该推导方法。结果表明:用本方法推导的断面结构可以实现理想的轴向压溃模式。因而,用该方法可以在概念设计阶段有效地确定车身结构的关键设计参数,尤其适用于完全正向开发车型。