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原文传递模块化蜂窝结构力学特性及汽车蜂窝吸能盒耐撞性研究

论文题名：	模块化蜂窝结构力学特性及汽车蜂窝吸能盒耐撞性研究
关键词：	汽车蜂窝吸能盒;耐撞性;模块化蜂窝结构;力学特性
摘要：	蜂窝结构的梯度设计对于改善蜂窝结构的力学性能，提高蜂窝结构在工程领域的应用价值具有重要意义。通过沿载荷方向进行一维串联梯度设计可以控制蜂窝结构变形模式、降低初始应力峰值和改善阶段性能量吸收能力等。但是，当前并不丰富的梯度设计思路限制了它在改善蜂窝结构力学性能方面的潜力。本文以六边形蜂窝结构为研究对象，采用理论、实验和仿真手段研究了不同梯度形成方式和多维梯度设计对于蜂窝结构力学性能的影响。以模块化蜂窝结构为内芯提出了一种模块化汽车蜂窝吸能盒，研究了它在碰撞工况下的耐撞性，并以改善吸能结构多项耐撞性指标为目标对其进行了多目标优化设计。本文主要研究工作如下：　　（1）研究了正六边形均匀蜂窝结构在单向压缩下的力学特性，对比分析了蜂窝结构在x和y方向上的力学特性差异。蜂窝结构在y方向上的平台应力大于等于其在x方向上的对应值，且x和y方向平台应力比值会受到基体材料和压缩速度的影响。基于分析结果提出了正六边形蜂窝结构y方向平台应力的改进理论模型并通过仿真验证了其有效性。研究了正六边形蜂窝结构在双向等速载荷压缩下的力学特性，从变形模式、应力和能量吸收角度揭示了蜂窝结构力学特性与相对密度和外部载荷的关系。相较于单向压缩，双向等速压缩载荷会增强蜂窝结构的强度和能量吸收能力，但双向载荷导致其密实化应变减小，使吸能行程大大缩短。基于仿真数据得出了双向压缩下蜂窝结构x和y方向真实应力的经验公式。　　（2）研究了胞元角对六边形蜂窝结构力学特性的影响。通过有限元仿真和准静态压缩实验，揭示了胞元角对蜂窝结构平台应力的影响规律，得出了其在准静态和动态载荷下的平台应力理论模型。基于胞元角提出了一种一维串联梯度蜂窝结构，对比分析了基于胞元角和基于胞臂厚度的梯度蜂窝结构在静动态载荷下的力学特性。在压缩过程中，梯度蜂窝结构在准静态载荷下均呈现由弱到强的变形模式，当惯性效应占据主导地位后则呈现自上而下的逐层变形模式。通过梯度蜂窝结构的准静态压缩实验，验证了仿真结果中变形模式的准确性。在各个压缩阶段，基于胞元角的梯度蜂窝结构的应力水平低于基于胞臂厚度的梯度蜂窝结构，这种差异会随压缩速度的增大而减小。其次，基于变形模式和理论模型，提出了基于胞元角的梯度蜂窝结构在准静态和高速压缩下应力的预测方法。最后，对比分析了两种梯度蜂窝结构的能量吸收和抗冲击性能。结果表明，基于胞元角的梯度蜂窝结构能量吸收能力较弱。当压缩位移较小时，串联梯度设计方法限制了结构的能量吸收能力。　　（3）提出了并联梯度蜂窝结构的概念以增强蜂窝结构全平台阶段的力学特性。通过将子蜂窝模块沿载荷的垂直方向布置，使梯度相对于载荷方向形成并联的分布方式。基于权重叠加法推导了并联梯度蜂窝结构的平台应力理论模型，并通过准静态压缩实验验证了理论模型的可靠性。研究了5模块正六边形并联梯度蜂窝结构的力学特性。准静态分析表明，并联梯度设计的强化系数与梯度系数、模块个数和压缩速度有关，该5模块并联梯度蜂窝结构在x方向的强度可达其对应均匀蜂窝结构的1.7倍；动态分析表明，并联梯度设计增强了蜂窝结构的动态平台应力，同时降低了蜂窝结构对动态载荷的敏感程度。　　（4）将一维并联梯度设计扩展为二维并联梯度，形成模块化梯度蜂窝结构。基于并联梯度设计的理论模型，推导了模块化蜂窝结构静动态平台应力理论模型。通过将模块沿y和z方向扩展，建立了5×5的模块化蜂窝结构有限元模型，从平台应力和能量吸收角度分析了模块化设计对该蜂窝结构x和y方向力学性能的强化作用。在x方向，与对应的均匀蜂窝结构相比，准静态载荷下模块化设计提高了蜂窝结构x方向强度的117%。当压缩速度为100m/s时，模块化设计却只提高了蜂窝结构x方向强度40%。在y方向，模块化蜂窝结构的平台应力与一维串联梯度蜂窝结构类似，呈现阶梯状分布。但是，z方向的梯度设计增强了蜂窝结构在y方向上的强度。在能量吸收方面，模块化设计增强了蜂窝结构的能量吸收能力，为吸能结构的强化提供了新途径。　　（5）以汽车纵梁前端吸能盒为工程背景，将模块化蜂窝结构作为内芯对薄壁吸能盒结构进行填充，提出了一种模块化汽车蜂窝吸能盒。对比分析了薄壁吸能盒、均匀蜂窝吸能盒和模块化蜂窝吸能盒在正面碰撞时的耐撞性，验证了运用模块化蜂窝结构作为内芯来增强吸能盒耐撞性的有效性。采用正交试验设计选取样本点，联合代理模型和多目标粒子群优化算法，对模块化蜂窝吸能盒进行了多目标优化设计，得到了满足优化目标的Pareto非劣解集。选取了具有代表性的优化方案与原方案进行对比。结果表明，选取的几种优化设计方案具有良好的耐撞性，能够满足不同车型和碰撞工况的防撞设计需求。该研究为模块化蜂窝吸能盒在不同设计要求下的工程应用提供了有价值的参考。
作者：	李振
专业：	机械工程
导师：	王良模
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2021