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.     

圆弧曲边六边形蜂窝结构吸能特性研究

为提升金属蜂窝结构的冲击吸能特性，提出了圆弧曲边六边形蜂窝结构。建立了显式有限元模型，对面内和面外冲击下的失效模式和吸能特性进行了研究，分析了冲击速度等对冲击吸能特性的影响规律。结果表明在面外冲击情况下，曲边蜂窝具有比传统蜂窝结构更优异的吸能性能；面内冲击情况下，会出现“X”型、“V”型和“一”字型变形带等不同失效形式；冲击速度较大时，变形模式趋近于“一”字型；吸能能力随着冲击速度的增大而增加。     

液压节制杆式模拟汽车碰撞吸能装置研究

提出了一种新型液压节制杆式模拟汽车碰撞吸能装置，并对它的基本结构和工作原理进行了分析，给出较实用的力学模型和节制杆设计方法，试验结果表明，该吸能装置可以很好地再现实车碰撞过程中的速度和加速度变化过程，为车辆被动安全系统的研究提供实验手段，该方法也可用来设计其它缓冲控制装置。     

硬质聚氨酯泡沫塑料的缓冲吸能特性评估

在对泡沫塑料缓冲吸能特性评估的常用方法进行分析后，对四种密度硬质聚氨酯泡沫塑料在各种应变率下的缓冲吸能特性进行了评估，并介绍了本构关系在泡沫材料缓冲吸能特性评估中的应用。     

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明:除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出:不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。     

泡沫铝缓冲吸能评估及其特性

对泡沫铝缓冲吸能特性的评估方法进行了比较分析 ,明确了吸能效率曲线与理想吸能效率曲线的应用范围 ,为缓冲器的选材与设计提供了依据。同时还对四种密度的泡沫铝在动静态下的缓冲吸能特性进行了评估 ,研究表明 ,泡沫铝是一种优良的吸能材料。     

矿用防冲吸能支护构件的数值分析与实验研究

煤矿冲击地压会造成围岩剧烈震动、变形或突发破坏,从而对支护体产生破坏性冲击作用。基于快速吸能让位防冲击支护理念,研制了一种具有特殊形状的防冲击吸能支护构件,可应用于巷道防冲吸能液压支架中。其机理在于利用构件的快速变形让位与吸能过程,缓解支架受到的超额冲击,保护支架不受损坏,从而防止支护体系以及巷道围岩的失稳破坏。文中提出了吸能构件的承载力与吸能量简化公式,采用Abaqus软件计算分析了构件参数设置的可靠性,得到了理想的力-位移曲线、吸能量曲线和屈曲变形模态,并通过实验室准静态压溃试验进行了一定的验证,试验得到吸能构件承载力达2660kN,吸能量达375.56kJ,与预期值非常接近。此构件的设计与研制,为支架的现场应用以及进一步的优化设计提供了一定的参考依据。     

高速冲击下薄壁组合结构吸能特性研究

研究了高速冲击下组合薄壁结构的吸能特性。采用显式动力有限元方法模拟薄壁结构在轴向冲击下的动态屈曲并分析其吸能特性,通过在结构上增加诱导缺陷和提出新型组合截面来提高其抗冲击吸能性能。同时对多种模型对比分析,研究了不同诱导缺陷、截面形式对吸能特性的影响,以得到最优化的结构。     

纯铜表面双层辉光离子渗钛合金层的摩擦磨损性能

采用双层辉光离子渗金属技术，在纯铜表面形成含钛的合金渗层；采用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌，并分析了磨损机理．结果表明：纯铜表面经离子渗钛后形成了以金属问化合物Cu4Ti和含钛的α固溶体为主的合金渗层，从而使表面强度提高，磨损性能明显改善；纯铜磨损表面呈撕裂特征，而离子渗钛试样仅发生轻微擦伤．     

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性, 以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍, 主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用, 主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景, 所面临技术挑战和巨大应用潜力.      

带有圆弧形凹槽金属薄壁圆管抗撞性优化设计

在金属薄壁圆管的基础上,引入圆弧形凹槽诱导结构并以其为研究对象,建立以凹槽数量及其半径为优化参数,以比吸能和压溃力效率为评价指标的多目标优化模型。分析研究均布设置诱导凹槽对结构吸能、最大峰值压溃力及压溃力曲线平稳性的影响。采用有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞响应,结合径向基函数法构造近似函数,并采用理想点法进行优化设计,得出使结构最优时的凹槽数量和半径,从而得到了理想的诱导凹槽优化结构。     

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.     

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.      

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。     

多种截面形状薄壁管轴向冲击吸能特性对比研究及优化设计

利用经过台车碰撞试验验证的铝合金薄壁管材料参数对比研究了方形、六边形、八边形和圆形的多种不同截面形状薄壁管在轴向动态冲击下的吸能特性。结合多目标优化算法对吸能特性较好的八边形多胞管进行了参数优化,并提出了一种新的优化设计方案。该方案将多胞管外管、肋板和内管的厚度分别作为优化设计变量,通过与将多胞管取统一厚度作为设计变量的传统方案进行对比发现,采用该方案对八边形多胞管进行优化后明显提高了其在相同压缩力峰值下的能量吸收效率。     

非凸截面管与多胞方管轴向冲击能量吸收性能对比研究

研究了非凸薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能,并与方管以及多胞方管进行了比较分析。首先,采用显式非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对比分析了这三类薄壁管在壁厚相同情况下的能量吸收性能。然后,在一定的材料用量限制（相同的质量）、一定的能量吸收量需求以及一定的极限峰值力要求等三种情况,比较了这三类截面薄壁管的冲击能量吸收性能。研究表明,非凸截面管在所研究的四种条件下无论在能量吸收效率还是在载荷一致性方面都远远优于方管。此外,非凸截面薄壁管在能量吸收效率方面也显著优于多胞方管,在载荷一致性方面与多胞方管相比各有优劣。     

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。     

含诱导缺陷薄壁圆管耐撞性优化设计

运用移动最小二乘曲面拟合技术和遗传算法优化技术,建立一套完整的结构耐撞性优化设计技 术。设计了一个具有高效吸能能力的薄壁圆管结构含诱导缺陷薄壁圆管结构,给出了含缺陷薄壁圆管结 构耐撞性优化设计结果。结果显示,设计的薄壁圆管结构具有好的吸能效果,该结构设计简单,便于在结构设 计中使用。     

ENERGY ABSORPTION CONTROL CHARACTERISTICS OF AL THIN-WALLED TUBES UNDER IMPACT LOAD

An experimental investigation was carried out to study the energy absorption characteristics of thin-walled square tubes subjected to dynamic crushing by impact loading to develop the optimum structural members. Here, the controller is introduced to improve and control the absorbed energy of thin-walled square tubes in this paper. When the controller were used, the experimental results of crushing of square tubes controlled by the controller＇s elements showed a good candidate for a controllable energy absorption capability in impact crushing.