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具有双锥度与层级特性的圆形薄壁结构的耐撞性研究与优化
| 论文题名： | 具有双锥度与层级特性的圆形薄壁结构的耐撞性研究与优化 |
| 关键词： | 锥管结构;圆形薄壁结构;多层级组织;耐撞性能;结构优化设计 |
| 摘要： | 轻质薄壁结构广泛用于汽车结构中，作为防护部件，在碰撞事件发生时耗散冲击动能。因此，设计高效、轻质的薄壁构件对保护乘员的生命财产安全有重要意义。在现实生活中，车辆碰撞的载荷往往对薄壁结构构成倾斜冲击，这对薄壁结构在未知加载条件下耐撞性的稳定性构成了挑战；同时，借鉴生物材料的多层级组织特性，逐渐成为结构设计的一种新趋势。在这样的背景下，本文围绕圆形薄壁结构展开了一系列的耐撞性研究与优化设计工作，主要研究内容主要包括： 1)为了提高薄壁结构在倾斜冲击下的耐撞性稳定性，提出一种带有双锥度特性的多胞双锥管，与多胞锥管、多胞双层直管与双层锥管三种薄壁构件比较分析了0°-30°下的耐撞性能。数值分析的结果表明多胞双锥管的外锥角提高了结构的稳定性，使薄壁圆管在倾斜冲击下依然倾向以逐层折叠的方式变形吸能，而内锥管和多胞截面构型则加强了结构的抗压强度，使得结构的承载能力更加优越。随后，参数研究的结果表明可以通过外锥角、内锥角与厚度的匹配改变结构的纵向刚度与横向刚度。接着，利用优化算法获得了在单一冲击角度和多冲击角度下能量吸收效率高、承载特性好、且结构变形稳定的耐撞性设计解集。最后，新结构在整车算例中也取得了较好的效果。 2)为了探索多层级组织方式对薄壁结构耐撞性可能的影响，利用节点演化的方式给四胞圆管增加一阶与二阶的胞元，形成了零阶、一阶与二阶的四胞多层级圆形薄壁结构。显式有限元分析的结果表明，结构层级的提高可以显著地改善结构的耐撞性，即大幅提高平均承载力，提高单位质量的能量吸收但不更大程度地增加峰值力。对于耐撞性最为优越的二阶四胞多层级圆管，增大一阶与二阶胞元的尺寸有利于扩大碰撞平面上的高应变区域，使得平均承载力提高，但同时因胞元增大导致结构质量增加，可能使得单位质量吸能达到峰值后降低，同时使得峰值力过高。为了平衡单位质量吸能效率与峰值力，采用最优拉丁超立方在一、二阶胞元尺寸与厚度构成的设计空间内采样，建立高精度的Kriging响应面，随后用多目标粒子群优化算法获得了平衡冲突设计目标的最优解集。 |
| 作者： | 鲁明皓 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 张勇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华侨大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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