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《湖南大学》 2015年
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新型负泊松比结构关键技术研究及其在车身设计中的应用

周冠  
【摘要】:负泊松比结构由于具有优异的力学性能、良好的能量吸收能力和轻质化特性,在汽车工业设计中具有广泛应用前景,可应用于结构设计中来提高零件的性能和进行轻量化设计等。近年来国内外很多学者针对负泊松比结构和材料开展了广泛的研究,并取得了大量成果,但是负泊松比结构和材料的相关研究仍存在许多问题,且研究主要集中在新型负泊松比结构和材料的制造和直接应用等方面,目前国内对于负泊松比结构的研究还处于起步阶段。本文基于一种新型(双箭头型)负泊松比结构,在微观结构参数与宏观力学性能的关系、性能研究方法、微观结构设计优化和在汽车工业中进行应用等方面对负泊松比结构进行了较为系统和深入的研究。本文主要开展了以下几个方面的研究内容:1.建立了双箭头型负泊松比结构微观结构参数与等效力学性能的力学模型。根据负泊松比结构的蜂窝结构特性,利用等效性能的方式对双箭头型负泊松比结构元胞拓扑结构与宏观性能之间的关系进行了研究,建立了双箭头型负泊松比结构的微观拓扑结构参数与等效弹性性能的力学模型,为两者的关系研究提供了理论基础。同时对双箭头型负泊松比结构的静力学特性、面内压缩特性和能量吸收特性等进行了分析研究,为本文后续对负泊松比结构的性能仿真方法研究、优化设计和工程应用等建立了研究基础。2.建立了基于新型Timoshenko大变形梁单元的负泊松比结构仿真分析模型。传统负泊松比结构的研究方法主要是通过利用传统梁单元模型和六面体实体单元等来建立有限元模型进行分析,存在着精度差或效率较低的问题。本文提出了一种新型Timoshenko梁单元,该梁单元通过有效的结合全局坐标系和绝对节点坐标方程,使其非常适合复杂系统的大变形模拟,并采用合适选取形函数策略和接近近似法,能有效解决模型计算过程中容易出现的数值问题。针对双箭头型负泊松比结构的大变形特性,本文将该新型Timoshenko大变形梁单元应用于负泊松比结构的仿真研究。基于新型Timoshenko梁单元、传统梁单元和六面体单元分别建立了负泊松比结构二维单胞元、二维多胞元和三维多胞元的仿真分析模型,对不同模型的仿真结果进行研究表明,基于新型Timoshenko梁单元模型的负泊松比结构模型可很好的保证仿真分析的精度和效率,最后通过样件的准静态压缩实验验证了模型的精度。3.提出了一种基于参数化模型的负泊松比结构优化设计方法。负泊松比结构由于其优异的力学性可被运用到汽车零件设计中,而应用过程中材料的微观结构将影响零件的宏观性能表现,但是由于负泊松比结构的蜂窝结构特性,目前针对负泊松比结构和材料性能的有效优化方法较少。本文针对双箭头型负泊松比结构的结构特点,提出一种基于参数化模型、近似模型和优化算法的微观拓扑结构优化设计方法。首先通过建立微观结构的参数化模型来提高建立结构仿真模型的效率和准确性,然后结合最优拉丁方试验设计法和响应面法建立参数化模型的响应面模型,最后利用优化算法对微观结构的几何设计和厚度等参数进行优化从而改善结构的宏观力学性能。本文成功应用该方法针对不同的设计需求进行不同优化目标和多目标的参数优化,实现了负泊松比结构的最优化拓扑、形状和厚度设计。4.提出了一种基于双箭头型负泊松比结构的新型吸能盒结构。吸能盒设计的好坏对汽车耐撞性的表现有很大的影响,在汽车碰撞中吸能盒应通过平稳、可控的变形吸取尽可能多的能量,从而减少碰撞对于其他零部件和乘员的损伤。传统设计方法一般是针对吸能盒的结构进行优化,存在着优化潜力有限等问题。本文通过将传统空心吸能盒和负泊松比结构吸能内芯进行有效结合,首次提出一种新型负泊松比结构吸能盒,该负泊松比结构吸能盒通过结合传统吸能盒和负泊松比结构内芯来提高吸能盒的能量吸收能力。为验证新型吸能盒的有效性,在给定初始速度,恒定碰撞速度和整车正面碰撞三种工况下,分别对传统吸能盒、泡沫铝填充吸能盒和负泊松比结构吸能盒的性能进行对比研究,主要对比分析了不同吸能盒的能量吸收、碰撞力、比吸能、压溃位移和部件质量等参数。同时系统对比研究了不同碰撞速度、不同基体材料和胞壁的夹角、厚度、宽度、长度等微观结构参数对负泊松比结构吸能盒性能的影响,并成功实现了针对某车型的负泊松比结构吸能盒的多目标优化,为负泊松比结构吸能盒的设计和应用提供了理论基础。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:U463.82

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