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原文传递车身变厚度薄壁吸能结构耐撞性机理研究及优化设计

论文题名：	车身变厚度薄壁吸能结构耐撞性机理研究及优化设计
关键词：	汽车车身;薄壁结构;能量吸收;耐撞性能;优化设计
摘要：	车身结构轻量化是促进传统能源汽车节能减排，解决新能源汽车续航里程焦虑的有效解决方法，得到汽车工业界和学术界越来越多的关注。使用新的轻质车身材料和开发创新结构可以有效实现轻量化。而汽车设计要求需要车身结构具备优异的耐撞性能，薄壁吸能结构在车身耐撞性设计中具有重要意义。传统的薄壁吸能结构大部分基于等厚度设计，在碰撞变形过程中，由于承载不均匀无法实现结构材料的吸能最大化，而变壁厚的薄壁结构可以进一步提高材料的利用率，实现结构轻质高效的目标，因此开发兼顾轻量化和耐撞性的新型吸能结构已成为新的研究热点。　　为了实现汽车车身结构的轻量化，同时提高汽车的结构碰撞安全性，本论文以铝制变厚度薄壁吸能结构为研究对象，采用实验、数值模拟和理论解析方法开展了系统的研究，从变厚度单胞薄壁结构的抗弯曲、抗轴向压缩行为入手，揭示了变厚度单胞结构的变形模式和压缩力响应，进而研究变厚度多胞薄壁结构的耐撞性机理和厚度影响规律分析；并将论文研究内容推广应用到车身前防撞梁总成的变厚度设计中，有效实现了车身零部件的减重并提升了能量吸收。本论文的研究工作揭示了变厚度薄壁结构的能量吸收机理和能量吸收特性，建立了变厚度薄壁吸能结构耐撞性设计的理论体系：　　(1)研究变厚度单胞圆管结构在弯曲载荷下的抗弯曲行为。为了探究变厚度薄壁结构横向承力特性，本文通过三点弯曲和四点弯曲试验，研究了三种不同厚度梯度的变厚度圆管抗弯曲行为和能量吸收特性。首先对比了变厚度圆管和相对应均匀厚度管的实验变形模式和力-位移曲线，并建立了变厚度圆管的精确有限元模型；对不同厚度梯度的圆管在三点弯曲试验和四点弯曲试验的挠度场进行无量纲分析。结果表明，变厚度圆管比均匀厚度圆管具有更大的塑性变形区域，可以更充分地利用材料的能量吸收能力。最后基于验证的有限元模型，进行了参数化研究，探讨了厚度梯度对变厚度圆管三点弯和四点弯的影响，并与同等质量的均匀厚度管进行了对比。结果表明，适当的厚度梯度可以有效提高薄壁结构在横向载荷作用下的能量吸收。　　(2)揭示轴向变厚度和水平变厚度单胞结构在轴向载荷下的吸能机理。首先开展了等厚度和变厚度方管在轴向载荷下的准静态压缩实验，分析了变厚度单胞结构的变形模式和吸能特性；并建立精确有限元仿真模型，真实模拟变厚度方管在轴向载荷下的变形模式和压缩力响应；基于超折叠基本单元法，建立了轴向变厚度和水平变厚度方管在轴向压缩载荷下的平均压缩力理论预测模型。结果表明，变厚度方管的平均压缩力理论解析解与实验和仿真数值结果均吻合良好，揭示了变厚度薄壁结构在轴向载荷下比吸能显著提升的耐撞性机理。开展了厚度梯度参数对变厚度方管的能量吸收的影响分析，轴向变厚度方管在厚度梯度较大时可以明显降低初始峰值力，水平变厚度方管可以明显提升等质量方管的能量吸收。　　（3）探究变厚度多胞结构在轴向压缩载荷下的变形机理和能量吸收特性。将功能梯度变厚度结构与多胞构型结合，提出水平变厚度和轴向变厚度两种多胞结构。开展变厚度五胞和九胞管的准静态轴向压溃试验，探讨水平和轴向变厚度多胞结构的压溃力响应和变形模式；并建立相应的变厚度多胞结构有限元模型，仿真结果与试验结果吻合较好。在相同质量条件下，分析了厚度梯度对两种变厚度多胞结构的耐撞性影响；基于超折叠单元理论，建立了轴向变厚度和水平变厚度多胞结构的平均压缩力理论模型。结果表明，水平变厚度多胞薄壁管相比于等质量下等厚度多胞结构可以有效提升结构的比吸能，轴向变厚度多胞薄壁管相比于等质量下等厚度多胞结构可以有效降低结构的峰值压缩力；而厚度梯度参数变化对两种结构的吸能特性均有很大影响，两种变厚度多胞结构均较等质量条件下的等厚度多胞结构具有更优异的吸能效率；变厚度多胞结构的不同截面位置处的厚度梯度参数对结构的吸能有很大影响。建立的平均压缩力解析模型可以很好地预测变厚度多胞薄壁吸能结构的压溃力响应，可以根据变厚度多胞结构的设计要求进行初步选型，缩短设计周期。　　(4)开展车身变厚度多胞防撞梁总成的优化设计，实现轻量化和耐撞性的均衡提升。首先采用实验和数值分析相结合的方法，对传统方型和新十字型吸能盒的碰撞特性进行了研究，并对有限元模型进行验证。在相同质量下，十字型管的吸能比方管高150%左右；利用样条曲线对一系列的十字形截面进行了参数化建模，并对不同参数化形状对碰撞特性的影响进行了研究。结果表明，几何参数对十字管耐撞性有显著影响，在相同重量下，具有样条曲线的十字形管耐撞性优于具有直线的十字形管。为了进一步优化参数化十字型吸能盒的耐撞性，采用非支配排序遗传算法II(NSGA-II)寻找最佳截面尺寸构型，优化结果表明，具有合理几何参数的样条曲线吸能盒优于直角边十字型管，比吸能进一步提高11.1%。针对传统的等厚度三胞防撞梁，本文将研究成果进一步推广应用到车身前防撞梁总成的优化设计中，开发了新型变厚度多胞防撞梁，通过开展台车实验验证了有限元数值模型的精确性，进一步采用优化设计方法开展了变厚度多胞防撞梁在高速碰撞下的比能量吸收和轻量化寻优问题。结果表明，变厚度多胞前防撞梁总成可以进一步提升车身结构耐撞性和轻量化水平。
作者：	庞通
专业：	车辆工程
导师：	孙光永
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文