仿虾螯结构薄壁管设计及耐撞性分析

为提高薄壁管的耐撞性能，以虾螯为生物原型，通过结构仿生原理设计了仿虾螯结构多晶胞薄壁管。以晶胞数（2～6）和冲击角度（0°、10°、20°、30°）为试验因素，利用有限元法分析了仿虾螯结构多晶胞薄壁管在不同冲击角度下的耐撞性能，通过落锤试验验证了仿真结果的可靠性。结果表明:2晶胞仿生管在轴向和斜向载荷下的耐撞性最优。同工况条件下，减少晶胞数可降低仿生管峰值载荷。斜向冲击载荷下，仿生管保持稳定叠缩变形模式的时间随晶胞数的增加而缩短，其耐撞性能随晶胞数的增加而降低。虾螯结构特征与普通圆管的结合有效提高了仿虾螯结构多晶胞薄壁管的耐撞性能。     

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。     

星形衍生多胞薄壁管的动态压缩

多胞薄壁管具有成本低、比强度高、吸能效率高等特点，被广泛用作于能量吸收装置。本研究通过实验验证了有限元模型的准确性，研究了截面拓扑、壁厚梯度对星形衍生多胞薄壁管能量吸收的影响。结果表明：多边形基星形衍生薄壁管边数的增加会降低结构的耐撞性与稳定性；同时，二阶五边形基星形衍生薄壁管具有最大的比吸能及平均压缩力；另外，负梯度结构可以在保留结构拓扑和功能的条件下显著提高结构的耐撞性。     

星形混合多胞管的耐撞性数值与理论研究

为研发轻质高效的能量吸收装置，提出了基于多边形截面与星形截面混合设计的星形混合多胞管。采用数值模拟方法研究了星形混合多胞管在轴向加载条件下的吸能特性和变形模式，并结合简化超折单元理论推导了该管的平均碰撞力理论公式。研究结果表明，星形混合多胞管的多边形截面与星形截面之间产生了协同效应，额外吸收了更多的冲击动能：当多边形边数N=6时，混合截面的协同性最好；当N=8时，该管的能量吸收效率最高。在此基础上，进一步开展了几何参数分析，发现壁厚对于星形混合多胞管的耐撞性有显著的影响，碰撞力水平随着壁厚的增加而线性增长。此外，星形角度的变化对耐撞性的影响相对较小，碰撞荷载效率和比吸能随着星形角度的增加表现出先增大后减小；当星形角度α=120°时，该管拥有最佳的耐撞性。     

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷F_p、比吸能E_s为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ（γ₁、γ₂和γ₃分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比）对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ₁为0.8;双层结构最优尺寸为γ₁ = 0.5和γ₂ = 1.2;三层结构最优组合为γ₁ = 0.6,γ₂ = 0.6和γ₃ = 0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。     

新型多边形锥管的准静态压缩与耐撞性分析

在车辆的耐撞性研究中，锥形薄壁管因其具有稳定的力-位移曲线和变形过程，被认为是轴向加载下的一种理想的能量吸收器。设计了两种类型的新型多边形锥管，通过在传统的多边形锥管上引入特殊的折纸图案，诱导结构按预制的折纸图案发生变形，从而提高其在准静态轴向压缩条件下的耐撞性；并通过准静态压缩实验研究了截面边数和壁厚对其变形模式和耐撞性的影响。结果表明：截面边数的增加使结构更容易发生局部屈曲和塑性失稳；增加壁厚会使局部屈曲和塑性失稳相对减弱，但结构会产生更多的裂缝。截面边数N对耐撞性的影响主要体现在初始峰值力上，初始峰值力随N的增加而增加，平均压缩力、比吸能和压缩力效率随N变化无明显规律；壁厚t对耐撞性有较大的影响，初始峰值力、平均压缩力和比吸能都随t的增加而增加，压缩力效率随t增加无明显规律。同时，通过传统六边形锥管(CH6)与两类新型六边形锥管(N6M1和N6M2)对比发现，折纸图案的引入在降低初始峰值力、提高平均压缩力和压缩力效率方面有显著优势。     

引入Sierpinski层级特性的新型薄壁多胞管轴向冲击吸能特性

为提高薄壁结构的吸能能力，基于Sierpinski分形结构提出了一种具有层级特性的新型薄壁管，即Sierpinski层级管（Sierpinski hierarchical tube, SHT）。采用非线性有限元法对SHTs在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了数值分析，并与普通三角形薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了对比。结果表明:SHTs的变形模式为轴对称渐进屈曲模式，在薄壁管中引入Sierpinski层级特性后，胞壁弯曲过程的半折叠波长减小，促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元，有利于提高薄壁结构能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论对SHTs的轴向压缩应力进行理论求解，并通过有限元数值模拟验证其准确性。在相同的相对密度下，一阶、二阶及三阶SHTs的动态压缩应力较普通三角形薄壁管的动态压缩应力提高了85.8%、138.2%和183.8%。将Sierpinski层级特性引入薄壁管的设计中，能够有效提高薄壁管的耐撞性能。     

舱内液体对VLCC舷侧结构碰撞性能的影响

以300kDWT超大型油轮(VLCC)货舱区舷侧结构为研究对象,利用有限元软件MSC.Dytran对 该VLCC在满载和压载工况下的碰撞损伤机理及耐撞性能进行研究,通过对碰撞过程中液货与结构之间的 流-固耦合力、碰撞力、结构变形、结构吸能等进行计算分析,并将这些参数与空载工况下的计算结果进行了对 比分析,阐述舱内液体对结构损伤机理及碰撞性能的影响。研究表明,舱内液货对VLCC舷侧结构碰撞后期 的损伤变形、碰撞力等产生一定影响,对整体碰撞性能影响较小;压载水对结构的损伤机理、耐撞性能均产生 显著影响,结构的变形模式发生明显改变,碰撞力显著增大,系统吸能大幅增加,其耐撞性能显著提高。     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进

惯性释放法是在飞行器设计中采用的一种近似分析方法,用于获得载荷作用下的自由-自由结构的内力响应。为了克服结构耐撞性拓扑优化问题求解的困难,探讨了惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进。将惯性释放法改进的惯性释放法、ESL(等效静力法)的优化思想与HCA(混合胞元自动机法)的材料更新规则结合,提出了一种新的高效的可用于耐撞性拓扑优化问题的混合法。数值算例结果表明,改进的惯性释放法对于多数碰撞问题均可以获得精度较高的结果,而惯性释放法对部分问题同样可以获得精度较高的结果,同时应用过程更加简便。优化算例的结果显示,新的混合法可以获得吸能性能更好的结构设计,同时有效地降低优化过程的耗时。     

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。     

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.     

基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计

建立了薄壁构件的结构耐撞性优化模型，通过试验设计在设计空间中选择少量样本获得设计的响应特性，建立响应面模型，并应用Pareto遗传算法进行结构耐撞性的优化设计。     

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。     

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。     

基于Kriging的泡沫填充锥形薄壁结构耐撞性6σ稳健性优化设计

锥形薄壁结构的耐撞性设计过程中,其设计变量和噪声因素都具有一定的波动性,都存在不确定性.传统的优化设计方法由于忽略不确定因素的影响,当设计变量产生波动时,往往会引起设计最优目标超出约束界限或者目标函数对设计变量的波动极为敏感,从而导致设计失效.为了考虑参数的不确定影响,论文提出了一种结合试验设计技术、Kriging近似...     

薄壁管及其泡沫金属填充结构耐撞性的实验研究

对两种AA 6063T6铝合金薄壁空管(方/圆管)结构以及填充泡沫铝的5种不同几何截面的薄壁夹芯管(单方/圆管填充,双方/圆管填充,双方管四角填充结构)分别进行了准静态轴向压缩实验,研究了各种薄壁结构的变形模式和吸能性能,比较了反映不同结构耐撞性的各种参数,如比能量吸收和能量吸收效率因子等。同时,研究了各种填充结构的几何参数对结构耐撞性能的影响,发现填充结构内管的尺寸对结构的耐撞性影响显著。研究结果显示,圆管类型的结构平均压垮载荷、比质量能量吸收、单位行程能量吸收以及能量吸收效率因子都较方管类型结构高。泡沫填充单/双圆管结构由于其较高的压垮力效率和能量吸收效率,能够较平稳高效地吸能,作为耐撞性结构元件具有很大的优势。