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原文传递局部表面纳米化新型吸能薄壁方管设计方法研究

论文题名：	局部表面纳米化新型吸能薄壁方管设计方法研究
关键词：	汽车制造;金属薄壁方管;表面纳米化;力学性能
摘要：	随着我国经济的迅猛发展，城市化进程不断加快，机动车保有量快速增加，直接导致交通事故数量逐年攀升，交通安全问题越来越被人们关注。车辆中人员和关键设备的安全已成为关注热点。由于大部分交通事故均由碰撞产生，为了提升汽车等交通工具的安全性能，如何提高能量吸收装置在碰撞事故中的吸能效果已成为汽车制造领域的关键技术之一。金属薄壁结构是吸能装置中应用最广泛的基本结构，该结构可在轴向冲击下发生塑性变形吸收大量能量。传统的吸能装置设计主要通过改变结构的截面形状、预制缺陷/凹痕、设计多胞结构、填充吸能结构内部等方法实现。上述方法，在提高结构的吸能效果的同时，也直接改变了结构的外形和整体质量，间接增加了结构的加工难度和制造成本。因此，在不改变吸能结构外部几何形状的条件下，开发一种新型能量吸收装置是非常必要的。表面纳米化是一种能够提高金属材料力学性能的新兴技术，金属材料经过表面纳米化后，其硬度、屈服极限、疲劳性能、耐磨性、耐腐蚀性等力学性能均能显著提高。本文采用数值模拟和试验对金属薄壁方管的吸能问题展开研究，借助局部表面纳米化技术可以增强结构局部力学性能的优点，诱导金属薄壁方管在轴向载荷作用下的变形，从而实现提升吸能指标的目标。研究内容和成果如下: 　　本论文提出了一种新型表面纳米化薄壁方管吸能结构，首先通过超声冲击表面纳米化试验平台对304不锈钢进行表面纳米化处理。通过对纳米化前后的材料进行拉伸试验，揭示了表面纳米化对材料弹性极限的影响。利用表面纳米化改变材料力学性能的特点，建立局部表面纳米化布局模型，用于控制薄壁方管峰值载荷和变形模式。以方形薄壁管为研究对象，分析局部表面纳米化布局对其能量吸收的影响。研究发现局部表面纳米化布局与薄壁方管的峰值载荷和变形模式有直接关系，可通过设计局部表面纳米化布局控制峰值载荷并诱导变形模式，从而形成一种调控方法。根据该方法研究了条纹式纳米化布局方向对结构的峰值载荷和变形模式影响规律，借助于这些特征和规律设计薄壁方管吸能结构。　　在调控方法的基础上，根据不同的方管结构设计局部表面纳米化布局，提出一类局部表面纳米化方形截面薄壁吸能结构设计方案。通过纳米化条纹参数设计，得到吸能较高的纳米化布局方式。结果表明，环向交错式局部表面纳米化条纹设计的方管，其比吸能相比未纳米化方管提高了64.29％，试验验证了局部表面纳米化方管具有良好的吸能效果;在条纹式布局的基础上对纳米化区域进行局部改良，结构比吸能可最高提升74.87％。采用上述设计方法进一步对冲击载荷方向和其引起的峰值载荷问题展开分析，设计不同形状结构及对应的纳米化布局，包括端面倾斜的方管和锥型方管结构等。数值模拟结果显示此类设计能够在降低峰值载荷的同时提升结构的吸能效果。准静态压缩试验和落锤冲击试验验证了局部纳米化对结构吸能的提升效果。　　此外，基于轴向纳米化条纹设计提出了一种抗冲击吸能薄壁方管。通过研究轴向条纹数量和分布位置对结构轴压下峰值载荷的影响，发现轴向纳米化条纹集中在方管棱边处的结构具有较高的峰值载荷，该设计与未纳米化结构相比，峰值载荷提高了74.45％。此外，通过对轴向纳米化条纹设计的结构进行吸能效果研究，发现纳米化条纹集中在棱边位置的设计能够提高结构的吸能效果，比吸能最高提升了63.97％，而纳米化条纹集中在面内的设计对结构比吸能影响不大。因此，对于需要较高抗冲击性能的吸能结构可以选择轴向条纹的纳米化布局设计，该设计可以在较低冲击载荷的情况下保持结构的完整，而当载荷较高时仍可通过自身塑性变形吸收大量的能量。　　最后，对单个薄壁方管进行了组合，提出一种二级吸能复合型结构的设计方法。该结构的特点是分上下两层结构组合，在冲击下存在两个峰值载荷，从而实现结构逐级吸能的功能，即当外部载荷大于第一峰值载荷且低于第二峰值载荷时，结构发生局部变形和吸能;而当外载荷高于第二峰值载荷时，结构发生整体变形和逐级吸能。数值结果显示局部表面纳米化二级吸能复合型结构相比未纳米化结构，比吸能提高34.36％。通过调整局部纳米化布局可以在一定范围内控制这两个峰值载荷及比值和一级与二级吸能的分配比例。研究结果表明，改变上下层结构的纳米化布局形式，两层结构的峰值载荷比可调范围为0.20-0.55，一级与二级吸能比可调范围为0.31-0.45。通过制备二级吸能复合型结构的样品并测试其吸能效果发现结果与数值模拟结果吻合。由此可见，该二级吸能复合型结构的设计方案是有效可行的。局部表面纳米化二级吸能复合型结构的设计方法为工程中吸能结构的设计提供一种思路和依据。
作者：	赵祯
专业：	工程力学
导师：	徐新生;林志华
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021