多工况碰撞载荷下点阵结构填充吸能盒设计策略研究EI北大核心CSCD

由于点阵结构优异的比吸能特性,其在新能源汽车被动安全方面具有广阔的应用前景。本文中以点阵结构填充吸能盒为研究对象,分别建立了具有不同点阵结构内芯的汽车吸能盒有限元模型,对比分析了不同填充吸能盒与传统吸能盒在多角度斜向碰撞工况下的耐撞性能,阐明点阵结构与吸能盒本体之间的相互作用机理及内芯选择依据。在此基础上,进一步考虑本体诱导槽对多工况变形模式的影响,开展了基于改进本体结构的点阵结构填充式汽车吸能盒抗撞性多目标优化设计。结果表明:具有正六边形点阵结构填充的汽车吸能盒具有稳定且优异的吸能性,基于改进诱导槽的点阵结构填充式吸能盒优化方案相对于原始吸能盒结构减质量32.05%,在保证最大冲击力小于阈值的前提下,其各项综合性能指标均得到显著提升。     

负泊松比防车撞结构的耐撞性研究

桥墩在车辆碰撞事故中可能会产生失稳、倒塌等损伤，因此开展桥墩防车撞研究存在必要性和较高的研究价值。针对城市内车辆行驶区域受限的特征，本研究设计了一种具备占用空间小、吸能效果好等优点的新型负泊松比钢质防车撞结构，在不同工况下开展了实车碰撞场景下防车撞结构的耐撞性数值仿真研究，并分析了负泊松比蜂窝防车撞结构的防护效果。结果表明，与普通正六边形蜂窝防车撞结构相比，新型负泊松比蜂窝防车撞结构吸能更多，碰撞力峰值更小，结构应力分布更均匀；在不超过结构设计厚度的情况下，撞深更大，材料利用更充分，更适合作为防撞结构。     

新型点阵夹层防撞梁与负泊松比吸能盒复合总成开发与吸能性能

为高效解决车身结构抗撞性和轻量化同步实现的难题，以乘用车前防撞梁与吸能盒为例，将点阵夹层结构与负泊松比结构用于其设计，并考察新型复合总成的吸能性能。以传统高强钢方案作为对标基准，获取待开发总成的性能设计依据。基于高强钢总成40%重合率碰撞试验，完成有限元模型的精度验证，进而获得全宽碰撞的结构响应特征及吸能参考数值，用于指导新型总成的开发。通过数值模拟算例，分析新型复合总成对冲击输入能量的适应性及吸能量对负泊松比吸能盒壁厚的敏感性，从而提出增加吸能盒封板与防撞梁支撑的改进方案。改进后的点阵夹层防撞梁具有更佳的承载刚度与载荷传递能力，总成变形模式愈加合理；改进前、改进方案1与改进方案2的总成吸能量分别占输入总能量的11.5%、68.2%与92.76%，高于高强钢方案的64.09%；改进方案2较高强钢方案减重32.9%。复合前防撞总成的台车试验与仿真结果对比显示：输入能量、碰撞初速度、总成吸能量、平均压溃量、平均碰撞力与回弹速度等指标的偏差绝对值均小于5%。结果表明：采用点阵夹层结构与负泊松比结构后，新型复合总成的吸能性能与轻量化水平均优于高强钢方案，2类结构适合于车辆承载与吸能结构，复合总成的设计方法与开发流程适用于相关新型结构的开发。     

基于子结构拓扑优化的大客车耐撞性改进

提出了一种基于子结构拓扑优化的大客车车身骨架耐撞性改进设计方法。首先通过测试和仿真进行某承载式大客车耐撞性评价,分析车身结构变形的症结;提取前端驾驶区骨架为子结构,以其碰撞吸能量相同为等效条件,进行子结构耐撞性分析与改进;接着为控制子结构的局部失稳变形,以吸能盒碰撞力峰值为载荷条件,进行子结构空间区域拓扑优化,完成8组改进方案的对比分析,选取质量最轻的达标方案进行台车实验验证;最后将该方案导入整车结构中进行耐撞性改进验证。结果表明:整车的耐撞性得到有效提高。     

复合材料前防撞梁变截面多工况多目标优化设计

本文中综合考虑汽车低速碰撞中的角度和对中两种碰撞工况,结合碳纤维/环氧树脂材料的特点,提出了一种变截面复合材料前防撞梁设计方法。首先,通过低速碰撞两种工况中前防撞梁的仿真计算发现,在等厚度的情况下,为满足侵入量的条件,对中碰撞时所要求的厚度远远大于角度碰撞时的要求,因此,根据对中碰撞时前防撞梁的受力和约束条件,为其提出了中间厚两端薄,即变截面的设计方案。然后,以最小化吸能盒截面力和前防撞梁质量为目标,许用侵入量为约束,两种截面厚度和加厚区域长度为设计变量,基于采集的试验点构建吸能盒截面力和前防撞梁质量的Kriging代理模型,利用NSGA-Ⅱ算法对其进行多目标优化。最终的结果表明,在满足性能要求的基础上变截面设计使复合材料前防撞梁的质量分布更为合理,在不增加质量的条件下,角度和对中两种低速碰撞工况中耐撞性能都得到提高。     

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°。     

仙人掌仿生结构的耐撞性研究

车辆碰撞时冲击产生的能量主要通过自身的吸能盒、前保险杠、门槛梁和底盘梁进行消散,为提高车辆的安全性,需设计具有良好能量吸收特性的金属管件。文中采用具有良好力学性能的巨型仙人掌进行仿生设计,通过有限元模拟分析具有不同折角数的金属仿生薄壁管的耐撞性,并与方管进行对比。结果表明,金属仿生薄壁管的吸能特性优于方管,最大高出46.1%,且随着金属仿生薄壁管折角数量的增加,耐撞性呈现先增加后下降的趋势;在质量相等的条件下,各金属仿生薄壁管的峰值力PCF近似相等;六角仿生薄壁管具有出色的综合耐撞性,可用于车辆的吸能部件。     

汽车用铝合金吸能盒结构优化设计

提出将近似模型技术和数值优化方法引入到汽车用吸能盒的耐撞性优化设计中,成功设计了一款铝合金吸能盒,在确保碰撞性能的同时尽可能地减轻了重量。对某乘用车钢制吸能盒进行了碰撞仿真分析,确定评价吸能盒碰撞性能的关键参数。以钢制吸能盒为基础进行铝合金材料替换,对比分析多个截面形状的铝合金管件,得到符合要求的铝合金吸能盒截面形状。采用近似模型优化方法,以铝合金吸能盒边长、厚度和材料屈服强度为设计变量,进行优化设计。根据优化结果试制铝合金吸能盒,通过静压试验验证了铝合金吸能盒在实现减重58%的同时,进一步提高了强度性能。     

乘用车前保险杠系统耐撞性分析与优化

针对行人保护柔性腿型(Flex-PLI)、RCAR低速碰撞、高速偏置碰撞3种工况,采用有限元建模方法,对某车型前保险杠系统进行耐撞性仿真分析,分析表明该车前保险杠系统不能满足碰撞安全性要求。以前保险杠系统主要结构参数为变量进行正交试验设计,利用综合分析法对前保险杠结构进行优化匹配。在结构优化的基础上,以厚度为变量利用响应面和多目标遗传算法对前保险杠系统的安全性能和质量进行了进一步优化,其整体耐撞性能得到提升。     

梯度强度汽车薄壁结构抗撞性优化EI北大核心CSCD

本文中采用有限元法,对一种梯度强度汽车薄壁结构的抗撞性能进行仿真研究。首先以该结构在碰撞过程中的峰值碰撞力F和比吸能E为评价指标,分析了板厚t、碰撞端强度s和梯度强度分布指数m对其抗撞性能的影响。通过响应面法建立性能参数F和E与设计变量m,t和s的近似关系,并对该结构进行多目标优化,得到F和E的最优设计Pareto前沿。然后考虑到工艺因素的不稳定性,选取该前沿上的特征点对最优设计的鲁棒性进行分析,发现当梯度强度指数m<0.5时(此时顶端强度和厚度应选最小值)鲁棒性最优。最后以原始材料(低强度均质性能)、高强度材料(高强度均质性能)和梯度强度材料进行某款车型前纵梁的正撞模拟评价。结果表明:梯度强度薄壁结构在乘员舱减速度、前围侵入量和比吸能等方面皆比传统设计有着更优的抗撞性能,且有效减轻了车身质量,综合性能最优。     

梯度强度汽车薄壁结构抗撞性优化

本文中采用有限元法,对一种梯度强度汽车薄壁结构的抗撞性能进行仿真研究。首先以该结构在碰撞过程中的峰值碰撞力F和比吸能E为评价指标,分析了板厚t、碰撞端强度s和梯度强度分布指数m对其抗撞性能的影响。通过响应面法建立性能参数F和E与设计变量m,t和s的近似关系,并对该结构进行多目标优化,得到F和E的最优设计Pareto前沿。然后考虑到工艺因素的不稳定性,选取该前沿上的特征点对最优设计的鲁棒性进行分析,发现当梯度强度指数m0.5时(此时顶端强度和厚度应选最小值)鲁棒性最优。最后以原始材料(低强度均质性能)、高强度材料(高强度均质性能)和梯度强度材料进行某款车型前纵梁的正撞模拟评价。结果表明:梯度强度薄壁结构在乘员舱减速度、前围侵入量和比吸能等方面皆比传统设计有着更优的抗撞性能,且有效减轻了车身质量,综合性能最优。     

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。     

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。     

内高压碰撞吸能盒的耐撞性能开发

以某A级车前碰撞吸能盒为研究对象,通过仿真优化、总成试验、台车试验、整车试验的耐撞性能开发流程,实现内高压吸能盒的耐撞性能开发和验证。在保证结构更改对耐撞性能、约束系统性能影响尽可能小的前提下,进行了吸能盒等安全部件的性能开发。结果表明,与原有冲焊结构相比,内高压结构的变形一致性更高,质量降低3%,成本降低4.2%,RCAR工况下总成吸能增加26.7%,具有较好的综合性能优势。     

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。     

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。     

拼焊板保险杠横梁耐撞性的离散优化设计

为实现汽车设计的耐撞性和轻量化,将高强度钢拼焊板(TWB)结构运用到保险杠横梁,结合多目标离散优化方法,进行优化设计。运用Hypermesh软件,建立了原保险杠模型和拼焊板保险杠模型,并用LS-DYNA软件进行验证。横梁内、外板均由厚度不同的5块高强度钢板焊接而成。以提高保险杠横梁的吸能量,控制质量增加为优化目标,进行横梁三点静压仿真试验,对板材的材料和厚度参数进行迭代优化。结果表明:优化后的拼焊板保险杠横梁吸能量提高81.66%,质量只增加8.96%;从而满足了耐撞性和轻量化的要求,并具有更好的变形模式和碰撞载荷特性。     

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。     

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。     

微型电动汽车转向管柱支撑结构耐撞性设计EI北大核心CSCD

基于GB11557—2011的要求,为某微型电动汽车设计了一款转向管柱吸能支撑结构,它由两根中部含V型缺口的槽型薄壁梁组合而成,其塑性变形阶段的极限强度水平可由V型缺口关键参数c和夹角θ调控。仿真结果表明:人体模块碰撞力随c和θ增大呈非线性减小。由c=24mm的数值仿真和碰撞试验结果对比可知:两者塑性变形模式一致;碰撞力曲线吻合得较好;人体模块碰撞力峰值偏差仅为6.1%。新支撑结构的强度和碰撞吸能水平在冲击试验和驾乘过程中均符合耐撞性设计要求。