面向变厚度柔性轧制工艺的帽型梁横向冲击吸能优化设计

作为汽车主要吸能构件的帽型梁的吸能提升设计是备受关注的问题.研究表明,通过优化薄壁结构的厚度可有效提升吸能性能,但复杂的厚度分布造成制造困难.针对可实现厚度调控的工艺,发展易制造的结构设计方法极为必要.本文基于变厚度柔性轧制工艺(variable gauge rolling, VGR)可实现厚度调控的特点,发展建立帽型梁横向冲击吸能优化设计方法.基于变厚度柔性轧制工艺生产的柔性轧制板(tailor rolled blanks,TRB)的特点,将受横向冲击的帽型薄壁梁设计成沿轴线分段变厚度、分段间设梯度过渡段的结构形式,通过调整各段厚度、分段位置和过渡层梯度变化规律,实现性能的优化.以应变能密度分布均匀为优化准则、基于混合元胞自动机(hybird cellular automata, HCA)方法构建优化模型和求解方法,并在迭代过程中施加满足轧制约束的过滤函数,使结构满足轧制工艺要求.其中,轧制约束的过滤函数由粒子群算法自动寻找.基于本文方法,具体设计了柔性轧制帽型梁横向冲击吸能最优的分段位置、各段厚度及过渡段厚度的梯度过渡方式,设计结果验证了方法的有效性.     

基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化设计方法

薄壁结构是汽车等运载工具的重要防护装置,除了其轴向防撞能力外,侧向耐撞性能分析与提升方式也非常重要。研究基于薄壁结构厚度合理分布的侧向耐撞性能提升方式和建立基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化方法。以汽车B柱受力环境和性能要求为设计需求,首先利用所建立的方法给出了连续变厚度的薄壁梁厚度分布设计,其性能较常规的等厚度薄壁梁最大侵入位移大幅下降(下降82%),验证了变厚度设计的有效性;然后,考虑单向变厚度便于柔性轧制工艺制成TRB,给出了轴向连续变厚度薄壁梁的厚度分布设计,该设计较等厚度梁最大侵入位移下降73%;与连续变厚度梁相比,在侵入位移降低量略小的情况下,实现了可制造性。设计实例表明本文提出的连续变厚度设计能够有效提高侧向耐撞性能,所建立的方法能够获得合理的厚度分布设计,是有效的耐撞性优化设计方法。     

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点,本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真,根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理,并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法,根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型,通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性,并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析,证明多稳态结构的冲击保护作用。     

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以当前车架前纵梁薄壁吸能管为依据,制作了普通单、双帽薄壁管以及单、 双帽冲压筋薄壁管试件,并依次进行了轴向准静态压缩试验,来研究这些管件的轴向压缩吸 能特性. 试验发现：添加冲压筋之后,单、双帽薄壁结构的轴向吸能特性都得到了很大提高, 但冲压筋对帽型薄壁结构稳定性的提高不明显. 试验结果表明,在不增加材料的前提下,通 过改变吸能元件的截面结构可以提高其碰撞吸能特性.     

冲压筋薄壁管轴向压缩特性试验研究

以当前车架前纵梁薄壁吸能管为依据,制作了普通单、双帽薄壁管以及单、双帽冲压筋薄壁管试件,并依次进行了轴向准静态压缩试验,来研究这些管件的轴向压缩吸能特性.试验发现:添加冲压筋之后,单、双帽薄壁结构的轴向吸能特性都得到了很大提高,但冲压筋对帽型薄壁结构稳定性的提高不明显.试验结果表明,在不增加材料的前提下,通过改变吸能元件的截面结构可以提高其碰撞吸能特性.     

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

复杂工程约束下基于NSGA-Ⅲ的车身梁截面优化设计

在汽车概念设计阶段,车身常由薄壁梁简化而成,其截面对轿车白车身刚度有直接影响。多室的薄壁梁截面极其复杂,在设计过程中不仅需考虑其力学性能,还需符合制造加工过程的各种工艺约束。本文基于薄壁梁截面设计的装配性与制造性等实际工程约束,提出一种梁截面形状控制方法以兼容多种工程约束。定义了梁截面多目标优化模型,以基于参考点的遗传算法NSGA-Ⅲ作为高维多目标优化问题算法,实现了相应的软件模块对截面惯性矩和扭转常量等参数进行优化。最终通过算例测试证明此方法的有效性。     

厚度幂指数分布管状结构耐撞性设计准则与方法研究

厚度或质量连续分布技术对车身薄壁结构的轻量化和性能设计有着非常重要，甚至起到决定性的作用，从设计方法上研究连续变厚度结构在车身零部件中的耐撞性应用是安全性设计所需的主要工作。本文研究一种较新颖的薄壁吸能结构，其管壁厚度按照幂指数形式连续分布，根据此分布特点推导出了该薄壁结构在等质量条件下与其他管状结构（比如均匀管、拼焊管和锥管等）之间相关参数的定量解析关系，给出了前者的耐撞性设计准则，评估了不同梯度对幂指数管耐撞性能的影响。分析结果显示，该新颖管状结构比其他截面管具有更理想的耐撞特性。然后，在2个设计区间内对梯度指数分别采样并构造近似模型，采用遗传算法作为求解器得出了非劣解前沿，研究发现高阶响应面近似模型得到的设计结果不一定是最优的。     

考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究. 柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化. 以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应. 采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型. 基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响. 结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响. 本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的 Timoshenko梁结构的动力学问题求解.      

考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究.柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化.以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应.采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型.基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响.结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响.本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的Timoshenko梁结构的动力学问题求解.     

Crashworthiness analysis and optimization of fourier varying section tubes

Thin-walled structures are widely used as energy absorption devices for their proven advantages on lightweight and crashworthiness. However, a majority of studies have being focus on exploring separately the crashworthiness of the thin-walled structure with a specific geometric section, such as circular, square, hexagon, octagon etc., and little research has investigated the relationship of crashworthiness among thin-walled structures with different sections systematically. This paper utilizes Fourier series expansion to generate a series of novel sectional configurations, namely Fourier varying sectional tubes (FVSTs), to look into their advantages of crashworthiness, thereby developing some FVSTs with highest possible energy absorption capacity. Based on the validated finite element (FE) models, parametric analysis is conducted to investigate the effects of cross-sectional configuration, perimeter and thickness of FVSTs on collapse mode and energy absorption. The results showed that the collapse modes of FVSTs are fairly sensitive to cross-sectional configuration, perimeter and wall thickness. Of these FVSTs generated, the highest specific energy absorption (SEA) increases 77.54% by increasing perimeter and 69.73% by decreasing wall thickness. Finally, a discrete optimization based on the orthogonal arrays is conducted to obtain the optimal FVST for maximizing SEA under the constraint of the initial peak crushing force (IPCF). The optimized FVSTs are of superior crashworthiness and great potential as an energy absorber.     

Simulations of a top-hat section subjected to axial crushing taking into account material and geometry variations

Simulations of top-hat thin-walled sections of dual-phase steel DP800 subjected to axial crushing have been performed taking into account process history and measured geometric imperfections, thickness variations and material variations. The simulations were based on experiments performed by Fyllingen et al. [Fyllingen, Ø., Hopperstad, O.S., Langseth, M., 2008. Robustness study on the behaviour of top-hat thin-walled high-strength steel sections subjected to axial crushing. International Journal of Impact Engineering, in press, doi:10.1016/j.ijimpeng.2008.03.005], who investigated the robustness of a top-hat section subjected to axial crushing. The geometry variation and spatial strain hardening variation were mapped onto the model. The fracture parameter and strain-rate sensitivity were based on values obtained from one of the batches. It was emphasised to use an element type, element size, a fracture criterion and a spot-weld model typically used by the industry. Compared to nominal models especially the thickness variations, geometric imperfections and material failure criterion influenced the behaviour. The material batch variation resulted in large differences in the batch means of the mean crushing forces and the variation in the geometric imperfections and thickness resulted in variation in the mean crushing force within each batch. Compared to the experiments the model generally under-predicted the mean crushing force.     

负高斯曲率曲面薄壁管吸能特性研究

为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,提出一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明:NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47%,有效压溃长度降低了12.40%,质量减少了20.18%。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管的耐撞性和轴向抗变形能力。     

表面纳米化吸能薄壁多胞结构的数值模拟与设计

采用局部表面纳米化技术和数值模拟方法,对金属薄壁多胞结构的吸能问题开展有限元数值分析和优化设计.结果 显示,局部表面纳米化布局可诱导结构的屈曲变形,并能大幅度提高结构的能量吸收.优化结果还发现,在多胞外壁呈交错矩形格状表面纳米化格局和内附加结构呈均布框架式矩形格状表面纳米化布局情况下,结构屈曲变形稳定且吸能效果最优.该研究为吸能结构的设计提供了依据.     

多边形截面薄壁管撕裂卷曲吸能研究

对薄壁管在准静态载荷下的卷曲撕裂进行了理论分析,并采用显示有限元方法进行了数值模拟。通过分析薄壁管的撕裂能、塑性变形能和摩擦能,讨论了冲头的锥形角、壁厚以及边数等因素对结构吸能的影响。     

鹿角骨单位仿生薄壁管斜向冲击耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性，基于鹿角骨单位结构特征，结合结构仿生学原理设计出内径相同、外径等梯度逐层递减的仿生薄壁管。采用有限元法对75种仿生薄壁管结构进行10°、20°、30°等3种斜向冲击角度的吸能特性模拟；通过多项式回归元模型和多目标粒子群优化算法进行优化，以Pareto前沿最优原则得到各目标最优化的配置方案；采用最小距离选择法进行优化分析，得到各配置方案的最优结构设计参数。结果表明:仅考虑单一冲击角度时，在10°、20°、30°冲击角度下的仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.84 mm-0.38 mm、2.89 mm-0.29 mm、2.91 mm-0.34 mm；综合考虑多种冲击角度权重因数不同配置方案时，仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.95 mm-0.28 mm、2.92 mm-0.30 mm、2.85 mm-0.33 mm。     

薄壁非凸截面多胞管轴向冲击耐撞性研究

论文结合截面多胞化和截面非凸化这两种提高薄壁管能量吸收性能的方法,设计了一类薄壁非凸截面多胞管能量吸收结构.通过从管截面外轮廓和管内构型两个方面相结合的方法,同时从内外两个方面提高薄壁管的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过增加截面折角数目并且保持折角在最优范围内,从而使得更多的材料分布在变形剧烈的折角附近以实现提高结构的能量吸收效率的目的.从理论与数值模拟两方面研究了这类新型非凸截面多胞薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过截面构型优化,增加了能量吸收效率高的角形部分.研究表明,这类薄壁非凸截面多胞管较传统薄壁方管的能量吸收性能有显著提高,并且其能量吸收性能优于凸多胞管及非凸多边形截面管,还避免了非凸多边形截面薄壁管潜在的整体失稳的问题.     

多孔材料填充薄壁结构吸能的相互作用效应

研究多孔材料填充薄壁结构的相互作用效应产生的机理，并建立了表征模型. 以泡沫 铝填充帽形结构为例，发现压溃的填充物分为致密区、过致密区和未变形区3个区域. 基于 理想可压缩假设建立了填充多孔材料分析模型，获得各区域体积变化和等效应变等关系；结 合薄壁结构超叠缩单元模型，对填充结构各组分的能量吸收进行了拆分. 研究表明，薄壁结 构的吸能略有增加，多孔材料的吸能增加40{\%}左右. 过致密区的形成是相互作用效应的 主要原因.