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仿甲虫鞘翅耐撞性吸能结构的设计及应用研究

李正官  
【摘要】:甲虫鞘翅具有轻质、高强和耐损伤的结构特点。本文从结构的轻质、吸能耐撞性角度出发,首先利用显式有限元方法分析了某些局部结构特征对结构吸能耐撞特性的影响,在此基础上设计了三种仿生轻质缓冲吸能结构:双层圆柱薄壁管结构,双层圆锥薄壁管结构以及正六边形锥管和圆锥管相结合的双层复合薄壁管结构。 利用显示有限元技术,采用D最优化试验设计方法,拟合三种仿生薄壁管吸能缓冲结构的总吸能、比吸能及峰值载荷的响应面函数,并得到响应面函数关于设计变量的响应面。以提高结构的抗撞吸能性为目的,以总吸能、比吸能和峰值载荷为评价指标,对三种薄壁管结构几何尺寸进行了多目标优化设计,得到了三种结构的最优化几何尺寸。通过对三种结构最优化结果的分析对比,最终得出正六边锥形管与圆锥管相结合的双层复合薄壁管结构具有最好的吸能特性,是作为汽车保险杠的理想吸能装置。 进一步将优化后的双层复合薄壁管结构作为吸能缓冲结构取代当前的传统支架,应用于某轿车保险杠系统中。以碰撞过程中保险杠系统的总吸能、比吸能、峰值载荷和加速度为评价指标,利用显示有限元技术分别在中、低和高速碰撞条件下进行碰撞模拟仿真,对应用双层薄壁管复合结构的缓冲吸能保险杠系统和普通保险杠系统进行对比分析,结果表明应用双层薄壁管复合结构的缓冲吸能保险杠系统的缓冲吸能效果明显提高,特别是其碰撞力峰值载荷明显降低,更有利于减小在碰撞中对司乘人员的伤害。


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