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。

     

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。     

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。

     

考虑车辆高速和低速耐撞性的多目标优化设计

<正>面高速耐撞性设计,需确保车内乘员的人身安全,使车内乘员的人身伤害降到最低;正面低速耐撞性设计,要求尽量减少车辆在碰撞中的损伤,使车辆具有良好的碰撞损伤修复经济性。本文根据上述特点,将车辆的正面高速耐撞性与正面低速耐撞性相结合,并且考虑车身部件的轻量化,提出了一种优化设计方法。该方法将保险杠、吸能盒内外板以及前纵梁内外板五个部件厚度作为优化设计变量,在正面低速碰撞中,以前纵梁吸收的碰撞总能量作为其是否发生较大变形的依据,利用代理模型和遗传算法进行了优化计算。最后,将该方法应用在某一车型的耐撞性设计中。     

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.     

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。     

横截面参数化网格变形算法及耐撞性优化应用

薄壁梁结构是汽车等运载工具的主要承载构件,提高该类结构的耐撞性对乘员安全具有重要意义。然而,形状优化设计要求多组有限元模型与仿真分析,因此需要特定的建模技术或人工交互。本文提出了一种基于横截面形状的参数化网格变形方法,以实现已有有限元模型的有效重用。以给定有限元模型为输入,采用基于各向异性径向基函数网格变形方法,并结合骨架内嵌空间,可快速生成适用于仿真分析的有限元模型变体。以S形梁轴向冲击耐撞性设计为例,采用所提方法改变构件塑性铰区域的横截面形状,可快速（低于4 s）获取100组局部变形有限元模型,并采用代理模型技术和多目标遗传算法优化结构耐撞性。数值结果显示,构件耐撞性获显著提高,验证了所提参数化变形方法的有效性,展示了与一般形状优化框架的可集成性。     

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。     

基于耐撞性的塑性变形教学改革

塑性变形是力学的重要教学内容之一,在横力弯曲变形、塑性铰等教学过程中存在偏重概念和理论推导,缺乏实际工程背景等问题。为了提高学生学习兴趣,提出以飞行器和汽车等运载装备耐撞性能需求的塑性变形教学改革模式。首先从实际运载装备在冲击事故中的乘员安全需求为牵引,引出耐撞性工程问题,通过合理假设建立力学模型,建立与塑性变形、塑性铰等教学内容的联系,推导预测压溃载荷的理论公式,让学生体会到理论学习的重要性,通过误差分析让学生理解力学模型的局限性并提高模型精度,提升学生学习兴趣。通过航天器迫降、圆管多边形破坏模式、点阵结构等工程和学术前沿问题,开拓学生视野,进一步夯实理论基础,提高创新能力。

     

落锤冲击加载实验装置及结构耐撞性实验研究

本文介绍ＤＨＲ９４０１落锤式冲击加载试验机的结构特点和工作性能,及其在结构耐撞性实验研究方面的几个典型应用     

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。     

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。

     

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.     

Experimental studies on thin-walled grooved tubes under axial compression

We study experimentally the axial crushing behavior and crashworthiness characteristics of thin-walled steel tubes containing annular grooves. The grooves determine the positions of the folds and control the buckling mode of deformation. In the present work we aim to improve the uniformity of the load-displacement behavior and to predict the energy absorption capacity of the tubes. Grooves are cut circumferentially and alternately inside and outside the tubes at predetermined intervals. Quasi-static axial crushing tests are performed with different groove distances. Photographs are taken during axial buckling and the specimens after crushing are sectioned axially to carry out the measurements. The deformation modes and load-displacement curves are described and energy absorption and mean post-buckling load are determined. The convolutions are achieved by folding in an axisymmetric concertina mode about the circumferential grooves. The results show that the load-displacement curve and energy absorbed by the axial crushing of tubes can be controlled by the introduction of grooves with different distances.     

基于塑性铰理论的车身概念设计正碰分析与优化方法

在概念设计阶段,车身碰撞安全性能评价是一个难点问题,需要详细的结构模型,本文基于塑性铰理论提出采用梁单元简化模型对框架车身进行概念设计阶段的耐撞性评估和优化设计方法。首先,介绍了关于箱型截面薄壁梁弯曲特性研究的理论模型与计算过程,接着赋予梁单元塑性铰的特性,模拟薄壁梁变形,再对框架车身进行了碰撞仿真。将仿真结果与详细模型对比,以分析简化模型的精度及可靠性。最后,以此为基础对框架车身进行耐撞性优化。结果表明,该简化模型易于创建,且有较高的精度,可用于概念设计阶段梁结构的设计工作。     

Combined stress waves with phase transition in thin-walled tubes简

The incremental constitutive relation and governing equations with combined stresses for phase transition wave propagation in a thin-walled tube are established based on the phase transition criterion considering both the hydrostatic pressure and the deviatoric stress. It is found that the centers of the initial and subsequent phase transition ellipses are shifted along the σ-axis in the στ-plane due to the tension-compression asymmetry induced by the hydrostatic pressure. The wave solution offers the "fast" and "slow" phase transition waves under combined longitudinal and torsional stresses in the phase transition region. The results show some new stress paths and wave structures in a thin-walled tube with phase transition, differing from those of conventional elastic-plastic materials.