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原文传递基于多角度碰撞特征的车用多胞结构仿生设计及其吸能机理研究

论文题名：	基于多角度碰撞特征的车用多胞结构仿生设计及其吸能机理研究
关键词：	汽车多胞结构;仿生设计;吸能机理;碰撞特征
摘要：	多胞结构具有轻质、高比吸能的性能优势，在汽车、轨道交通、航空等领域具有广泛的应用前景。相比于传统实体结构，其结构利用率更高，它能在发生碰撞时通过自身的压溃变形吸收大量冲击动能，从而有效减缓冲击。研究多胞结构的吸能特性，对提高汽车等交通工具的抗撞安全性具有重要意义。目前关于多胞结构的抗撞性研究绝大部分是基于提高轴向吸能特性开展的，关于提高不同角度加载下吸能特性的研究十分欠缺。而实际车辆碰撞中，完全的轴向碰撞发生的情况很少，更常见的情形是冲击载荷方向与吸能部件轴向方向之间存在一定的夹角。针对轴向加载提出的多胞结构，尽管具有优异的轴向吸能特性，但是在斜向加载下不一定能展现出较好的吸能特性。本文以数值模拟方法为主，结合试验验证、理论分析和多目标优化方法，围绕提高多胞结构在不同角度加载下的吸能特性展开了一系列的研究。在深刻理解不同角度加载下多胞结构的压溃变形模式和吸能特性的基础上，结合仿生设计手段及优化设计方法，以正六边形元胞构型为设计主线，针对典型的四种多胞吸能结构形式（二维蜂窝结构、多胞吸能管结构、三维点阵结构、点阵结构填充管结构），提出了在不同角度加载下增强耐撞性能的方法。具体研究内容如下：　　(1)研究了二维蜂窝结构多角度工况下的耐撞性能，提出了多胞结构的多工况耐撞性评价方法。以典型的正负泊松比蜂窝结构（正六边形蜂窝结构及其演化的内凹六边形负泊松比蜂窝结构）为研究对象，研究了不同角度加载下正负泊松比蜂窝结构的吸能特性。提出了两个综合耐撞性指标：综合吸能性与吸能稳定性。基于综合耐撞性评价指标，分析了正负泊松比蜂窝结构的优缺点，并以正六边形元胞作为优化构型，开展了多目标耐撞性优化设计，为后续研究提供了构型基础与评价准则。　　(2)基于正六边形元胞的二维构型，提出了一种仿生马尾植物的自相似分层增强蜂窝结构，探究了其在轴向加载与斜向加载下的面内增强机理。一方面，研究了自相似分层蜂窝结构的轴向冲击耐撞特性，其独特的分段式变形模式使得结构具有双平台吸能特征。基于多尺度代表性单元理论，结合双平台的变形模式，对两个平台的平台应力及其平台转折点和吸能截止点进行理论预测。进一步地，提出了基于多平台吸能预测的优化策略，并以典型的顶点自相似结构和边长自相似结构为对比参照，进行优化策略的效果验证。另一方面，研究了自相似分层蜂窝结构的斜向冲击耐撞性能，结合轴向冲击耐撞性数据，对自相似蜂窝结构综合耐撞性能的增强效果进行对比评价，发现自相似蜂窝结构在综合吸能性与吸能稳定性方面均优异于传统蜂窝结构。　　(3)结合上述自相似元胞布局，提出了一种仿生竹节特征的梯度多胞管结构，研究了不同角度加载下梯度多胞吸能管的面外吸能特性及其增强机理。以薄壁吸能圆管为设计原型，受竹节特征启发，将上述自相似蜂窝结构的六边形轮廓设计成圆形，进而提出了仿生竹节特征的多胞吸能管增强结构。基于简化的超折叠单元理论，对仿生多胞吸能管的轴向平均压溃力进行理论预测，并进行了仿真与试验验证。基于三种综合权重机制，对比分析了仿生多胞吸能管与圆管在单一工况以及多工况下的耐撞特性，阐述双环截面特征与梯度分布特征的仿生优势。从提高仿生多胞吸能管在不同角度加载下吸能特性的角度出发，分析截面仿生特征以及竹节梯度分布特征对结构耐撞性的影响。最后，将仿生多胞吸能管与现有的典型多胞吸能管结构进行耐撞性对比分析，进一步证实仿生多胞吸能管的吸能优越性。　　(4)基于正六边形元胞的三维拓扑形态，提出了一种仿生马蹄墙微观分布特征的复合梯度三维点阵结构，探究了不同梯度形式对点阵结构多工况耐撞性能的影响机理。以四种典型的三维点阵结构（正六边形笼式点阵结构、内凹六边形负泊松比点阵结构、双箭头负泊松比点阵结构、星型点阵结构）为研究对象，建立了等相对密度下四种典型三维点阵结构的有限元模型。基于自主设计的斜向压缩夹具，对有限元模型进行试验验证。研究了不同角度加载下四种典型三维点阵结构的吸能特性，并确定最佳构型。基于正六边形笼式点阵结构，从分布形式角度出发，受马蹄墙微观特征启发，提出复合梯度分布式增强设计方案。探究了九种梯度分布形式下正六边形笼式点阵结构的耐撞特性，基于综合耐撞性评价指标，确定纵向正梯度与横向负梯度的最优复合梯度构型。　　(5)将正六边形三维点阵结构作为填充内芯，研究了仿生骨骼特征的填充式吸能盒的多工况耐撞性能，并从梯度填充设计与诱导槽改进设计两个方面开展了抗撞性多目标优化研究。以汽车吸能盒为研究对象，受动物骨骼结构特征启发，以三维点阵结构为芯体，研究不同角度加载下点阵结构填充式汽车吸能盒的吸能特性。对比分析了四种典型三维点阵结构填充式汽车吸能盒的耐撞性能，确定最佳填充芯体。在此基础上，对梯度点阵结构填充吸能盒进行耐撞性研究及多目标优化设计，分析优化前后的性能效果，针对设计不足提出了诱导槽改进方案。进一步地，对吸能盒本体诱导槽的形状、数量、位置和尺寸进行优化设计，确定最佳诱导槽的构型与分布。基于改进诱导槽的点阵结构填充式汽车吸能盒进行抗撞性多目标优化设计，优化了本体壁厚以及点阵结构的结构参数。相对于原始吸能盒结构减重32.05%，在保证最大冲击力小于阈值的前提下，平均压溃力、综合比吸能、吸能稳定性分别提高了45.3%、15.17%、33.33%。
作者：	梁鸿宇
专业：	车辆工程
导师：	马芳武
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022