收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

轻质吸能材料和结构的耐撞性分析与设计优化

张宗华  
【摘要】: 轻质(低耗能)高可靠性是现代汽车与交通工具设计所追求的目标。在轻量化的要求下,单纯通过增加材料用量以提高汽车结构的承载力和耐撞性已经变得不可行。如何既能满足轻量化设计的要求,又能保证碰撞安全性能,是汽车设计工程师面临的难题。在这一需求的牵动下,针对汽车碰撞过程中主要吸能构件的破坏模式及其对应的吸能特性,本文开展了轻质吸能材料和结构的耐撞性分析与设计优化方面的研究,兼顾车身结构安全性和轻量化的设计要求,获得了几种典型的高吸能薄壁结构构型。具体研究内容和成果包括: (1)以吸能构件的横向弯曲为背景,提出了一种类似泡沫填充结构的加筋填充梁,并进一步对其截面形状进行耐撞性能的优化设计。通过调整一系列控制点的纵坐标来控制加强筋的截面形状,利用显式有限元分析和结构优化技术对加筋填充梁的截面形状进行单目标和多目标优化设计。将优化后的加筋填充梁与等质量的空心薄壁梁和泡沫填充梁进行比较,发现加筋填充梁的吸能性能均优于其余两种截面形式的梁,初始冲击力峰值降低则更为显著,因此通过结构优化设计可以提高结构的耐撞性能。讨论了方形薄壁梁弯曲变形皱褶模式发生转变的可能原因,发现本文方形薄壁梁发生非典型皱褶模式的主要原因是截面尺寸过大所致。此外,以车门防撞梁的横向弯曲为例,通过试验验证了本文基于显式有限元数值模拟的可靠性。 (2)提出了一种新型能量吸收装置——蜂窝夹芯圆柱管。这种新型吸能结构是由两个空心薄壁管填充一种大尺寸蜂窝栅格组成。以Kagome蜂窝夹芯结构为例,研究了这种吸能结构的变形模式和吸能特性,由于蜂窝和管壁之间的相互耦合,改变了内、外管壁的塑性变形模式,增加了结构的塑性变形区域和提高了塑性变形的程度,使结构的吸能性能得到大幅提高。讨论了Kagome蜂窝的几何参数和蜂窝类型对复合结构轴向冲击性能的影响。另外,研究了三种不同粘结条件的泡沫夹芯圆柱结构,发现粘结强度的增加,改变了结构的变形模式,提高了结构的吸能能力。对比两类夹芯结构的吸能特性,发现蜂窝夹芯结构具有更好的耐撞性能,尤其是Kagome蜂窝夹芯结构。 (3)为了提高S型纵梁轴向冲击的耐撞性能,本文从改变截面形状和轴线构型两个方面对S型纵梁进行研究。首先,研究了三组不同截面构型对S型纵梁耐撞性能的影响,发现从方形到圆形截面,结构的吸能能力逐渐下降,大高宽比的矩形截面具有更好的吸能性能。对于加筋截面,竖向加筋对结构吸能性能的提高比横向加筋更加显著;十字型加筋结构比双竖加筋吸收了更多的能量。其次,针对S型纵梁塑性变形具有明显的局部性特点,提出了S型纵梁轴线构型的耐撞性优化设计模型和设计技术。考虑到碰撞分析的高度非线性和显式有限元分析的时间效率问题,采用序列响应面法对S型纵梁的轴线构型进行优化设计。优化后,结构的吸能和比吸能都有大幅提高。分析其变形过程,发现S纵梁发生了4次局部皱褶,形成了两个塑性剪切带,增加了塑性变形,提高了结构的吸能性能。将优化设计得到的最优构型应用于帽型点焊薄壁结构,发现其变形过程也出现了4次局部皱褶和两个塑性剪切带。因此,该构型在轴向冲击载荷作用下具有稳定的变形模式,可以为车身结构设计提供有价值的参考和指导。 (4)以帽型点焊薄壁结构为例,研究了材料性能的梯度分布对结构耐撞性能的影响。首先,修正了帽型点焊薄壁结构轴向冲击的理论预测模型,将其适用范围由软钢结构扩展到高强度钢,并通过数值模拟验证了其正确性。其次,对帽型薄壁结构进行梯度材料设计,通过数值模拟发现,这种“软硬”结合的复合材料结构在轴向压缩过程中逐次压溃,呈现出梯度性,随着高强度材料的增加可以大幅提高结构的吸能效率,但冲击力峰值可以保持在相对低的水平,相当于引入了材料缺陷。将上述梯度分布材料应用于B柱外板,可以简化结构设计,提高结构的耐撞性能,减少碰撞过程中对驾乘人员的伤害。 (5)针对吸能保险杠在低速碰撞和行人保护方面的重要作用,对热塑性吸能保险杠的耐撞性能进行优化设计。以缓冲梁的截面形状为设计变量,提出了一个包含最小侵入位移和最小冲击力峰值的多目标优化设计模型。以热塑性吸能保险杠的摆锤冲击为研究对象,通过序列响应面法得到了一种新型吸能保险杠。该保险杠在低速碰撞过程中具有良好的耐撞性能,同时可以使最大侵入位移和冲击力峰值保持在相对低的水平。与目前广泛使用的泡沫塑料吸能保险杠进行比较,发现本文设计的吸能保险杠具有更好的安全防护性能。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张立玲;高峰;;金属薄壁吸能结构耐撞性研究进展[J];机械工人;2006年01期
2 黄春曼;李慧敏;;车辆碰撞及吸能材料结构研究进展综述[J];装备制造技术;2012年01期
3 贾福音,杨华,毕少华,蔡善海,岱贞海,张宝林,朱子星;托罐式吸能防撞梁[J];煤矿机械;2001年05期
4 吴义富;顾红军;阳波;;植物秸秆吸能缓冲特性研究[J];噪声与振动控制;2006年03期
5 程群峰;许亚洪;廖建伟;方征平;益小苏;;引发机制对复合材料波形梁吸能性能的影响及其破坏形貌分析[J];复合材料学报;2008年01期
6 刘瑞同,林建平,王鑫伟;复合材料对称元件的缓冲吸能性能研究[J];热固性树脂;2004年03期
7 张伟;郑鹏飞;刘陈;高原;;动态冲击荷载作用下橡胶材料吸能率分析[J];兵器材料科学与工程;2012年05期
8 赵统武;应力波法测试凿岩机冲击能量系统中吸能装置的研究[J];矿冶工程;1987年02期
9 贺成红;张佐光;李玉彬;孙志杰;;复合材料的冲击吸能与动态黏弹特性[J];北京航空航天大学学报;2007年07期
10 潘一山;马箫;肖永惠;李忠华;;矿用防冲吸能支护构件的数值分析与实验研究[J];实验力学;2014年02期
11 李剑峰;;柔性缓冲吸能式挡车装置[J];煤矿机械;2008年03期
12 孙志林;林瑞波;荆建宽;张振林;;应力波法测量冲击能的吸能单元结构设计[J];建井技术;2011年03期
13 李剑峰;;柔性气动缓冲吸能式挡车装置[J];凿岩机械气动工具;2007年01期
14 曹寄梅;赵卫东;刘朝红;黄文宏;;深孔爆破孔底充填缓冲吸能材料减震试验研究[J];中国安全科学学报;2010年04期
15 吴进;程和法;黄笑梅;张燕瑰;胡志君;;变质处理及热处理对泡沫铝合金压缩吸能性的影响[J];特种铸造及有色合金;2011年04期
16 黄建城;王鑫伟;;薄弱环节对复合材料吸能元件轴向压溃性能的影响综述[J];船舶力学;2011年08期
17 谢志民,万志敏,杜星文;复合材料管的缓冲吸能研究[J];玻璃钢/复合材料;1999年02期
18 孙凯;翟春香;;斜巷防跑车装置吸能器设计研究[J];煤;2012年05期
19 王冬梅;;瓦楞复合材料静态压缩吸能性能研究[J];包装工程;2007年12期
20 陈永刚,益小苏,许亚洪,唐邦铭,张子龙;Carbon-Epoxy圆管件的静态吸能特征[J];航空学报;2005年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨志强;杨嘉陵;;吸能缓冲靴设计方法研究[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年
2 王光耀;万鑫铭;李阳;高丽;周佳;赵清江;;热处理工艺对铝合金吸能盒力学性能和吸能性能影响的研究[A];2012重庆汽车工程学会年会论文集[C];2012年
3 赵洪伦;程玲;王文斌;;吸能元件特性的非线性有限元仿真研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
4 许亚洪;程群峰;益小苏;;不同引发机制对复合材料圆管件吸能性能影响的初步研究[A];复合材料——基础、创新、高效:第十四届全国复合材料学术会议论文集(下)[C];2006年
5 燕瑛;罗炜桓;王立朋;宫少波;;复合材料圆筒结构准静态压缩破坏吸能研究[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集(一)[C];2007年
6 彭跃湘;;平头汽车碰撞吸能器结构设计与试验研究[A];2007年中国机械工程学会年会论文集[C];2007年
7 黄可;顾菲菲;何思渊;何德坪;;梯度孔径多孔铝合金的压缩及吸能性能[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
8 李本怀;王科飞;李成林;;B型不锈钢地铁碰撞吸能研究[A];第八届中国智能交通年会论文集[C];2013年
9 潘一山;吕祥锋;李忠华;;煤矿冲击地压巷道吸能支护研究[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
10 赵桂范;林乐川;储元娟;;曲面壳体撞击吸能分析[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 张宗华;轻质吸能材料和结构的耐撞性分析与设计优化[D];大连理工大学;2010年
2 柳艳杰;汽车低速碰撞吸能部件的抗撞性能研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
3 尹汉锋;着陆缓冲系统中吸能结构的耐撞性优化[D];湖南大学;2011年
4 李松晏;高速列车吸能结构研究与明线交会安全评估[D];中国科学技术大学;2014年
5 王志华;泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究[D];太原理工大学;2005年
6 黄俊;面向行人下肢碰撞保护的汽车前端结构快速优化设计研究[D];清华大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李正官;仿甲虫鞘翅耐撞性吸能结构的设计及应用研究[D];南京航空航天大学;2012年
2 元涵;吸能保险杠对于正碰的影响及结构的优化[D];武汉理工大学;2013年
3 彭杰;基于仿生学的汽车低速吸能盒研究[D];吉林大学;2015年
4 李敏;货车后下部碰撞吸能装置的设计与分析[D];东北林业大学;2013年
5 董银飞;汽车复合材料碰撞吸能装置设计与仿真方法研究[D];山东理工大学;2014年
6 董茹玲;切削式吸能撞击试验系统设计及切削吸能特性研究[D];中南大学;2014年
7 屠燕婷;基于区间不确定性的乘用车缓冲吸能结构优化设计[D];湖南大学;2014年
8 常宁;切削式吸能过程仿真研究[D];中南大学;2009年
9 王刚;吸能结构动态大变形检测及其性能研究[D];清华大学;2011年
10 夏茜;切削吸能过程热固耦合分析及参数优化研究[D];中南大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前4条
1 湖南记者站 组稿;列车结构塑变吸能技术及装置[N];科技日报;2012年
2 本报记者 谢莉葳;寻求车头吸能与刚性的平衡[N];中国消费者报;2013年
3 成吉昌 郭惠斌;防撞吸能装置令驾驶员更安全[N];中国汽车报;2001年
4 段衍;轻客品质 微面成本[N];民营经济报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978