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薄壁构件的抗撞性优化设计

侯淑娟  
【摘要】: 安全、环保和节能是二十一世纪汽车设计研发所面临的三大热点问题,而如何提高车辆在碰撞事故中的抗撞性(Crashworthiness)又成为汽车被动安全性分析中的一个关键环节,车身结构抗撞性研究主要研究车身吸能装置对碰撞能量的吸收特性。而良好的吸能装置要求碰撞动能应尽可能不可逆地转换为变形能。因此,金属薄壁构件作为最传统、最有效的缓冲吸能装置,在车身吸能体系中得到了最广泛的应用。除构件本身的材料特性外,金属薄壁构件的吸能特性还与横截面形状、壁厚等几何参数密切相关,所以研究薄壁构件的抗撞性与这些参数之间的关系已成为车身抗撞性优化的重要环节。近年来,金属薄壁构件的抗撞性优化设计取得了一系列成果,本文将在前人工作的基础上,基于显式有限元数值求解技术和响应面近似理论对一些特殊截面的薄壁构件进行抗撞性优化设计。 本文首先综述了抗撞性优化问题的国内外研究现状,并综述了多目标抗撞性优化问题的研究现状、薄壁构件抗撞性优化的研究现状以及高吸能泡沫材料的研究现状。然后基于显式有限元数值求解技术,给出了在进行接触-碰撞问题的抗撞性优化设计时所要用到的试验设计取点技术和代理模型近似理论。随后采用显式有限元软件LS-DYNA和响应面法等代理模型理论对一些特殊构形的直梁件进行了抗撞性优化,并将研究构形扩展到了S形和V形的空间构件以及泡沫填充构件,从而使得研究结果更具实用性。 正方形截面和圆形截面薄壁构件是最传统的薄壁吸能元件,Redhe,Forsberg,Nilsson和Kim等人都曾对正方形截面薄壁构件进行过抗撞性研究;Kurtaran,Avalle,Lee和Lanzi等人先后对圆形截面的薄壁构件进行了抗撞性研究和优化设计。本文在前人研究的基础上,首先,以正方形截面薄壁构件的壁厚和截面宽度为设计变量,以结构的比吸能为优化函数,对正方形截面的单元胞、两元胞、三元胞和四元胞构形进行了抗撞性优化设计,并得出了壁厚和截面宽度对这四种构形的吸能特性的影响规律。其次,对单元胞构形和三元胞构形的六边形截面薄壁构件进行了抗撞性研究,并对四种构形的壁厚和截面尺寸进行了优化设计。再次,对端部方锥形和端部圆锥形薄壁构件进行了比吸能优化,并对单锥形和共线双锥形薄壁构件进行了多目标抗撞性优化;同时还将研究问题扩展到空间结构,对薄壁构件的中性轴进行了S形和V形的多目标优化设计。最后,对正方形截面泡沫填充薄壁构件和锥形泡沫填充薄壁构件也进行了抗撞性优化设计。 通过本文的研究发现,用响应面法与显式有限元分析相结合的数值求解技术来求解接触-碰撞这样的强非线性问题,不但计算效率高,而且还可以得到相对精确的拟合结果;对响应面拟合所得的目标和约束函数进行优化求解,可以很快地得到抗撞性问题的最优设计参数。同时,本文的主要结论对今后车身的抗撞性研究也具有重要的参考价值。


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