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原文传递双重变属性薄壁管件吸能特性及轴向压溃理论研究

论文题名：	双重变属性薄壁管件吸能特性及轴向压溃理论研究
关键词：	汽车结构;双重变属性薄壁管件;吸能特性;压溃力;有限元分析
摘要：	薄壁结构因其较高的材料利用率、较强的能量吸收能力而逐渐被作为吸能结构件运用到各种运载工具上。在日益严苛的能源节约和环境友好要求下，如何在不降低薄壁结构耐撞性的同时降低其重量成了当下亟待解决的问题。然而，传统的单一材料单一厚度的简单均匀薄壁结构在面对汽车碰撞过程中产生的复杂加载工况时，并不能将材料利用率发挥到最大，也就不能展现出较好的能量吸收能力。为此，本文设计了一种由多种材料拼焊而成的、材料和壁厚均发生轴向变化的双重变属性混合材料薄壁圆管，深入研究了其准静态压溃下的耐撞特性并对已有的简单均匀薄壁圆管的压溃力理论预测方法进行拓展，延伸出变厚度、变材料薄壁圆管平均压溃力预测公式，力求为汽车选用性能更优的吸能结构件提供参考。主要研究内容如下：　　（1）基于两例6061铝合金材料薄壁圆管和一例Q235钢材料三角形横截面管的准静态轴向压溃实验，建立了薄壁圆管在准静态轴向压溃工况下的有限元分析模型。首先对仿真所用压溃速度进行了选取，5m/s的仿真压溃速度不仅可以有效降低仿真计算时间保障仿真精度还能将两种不同的实验速度进行统一。对焊缝不同的建模方式也进行了讨论，通过对比发现以共节点的方式模拟焊缝更为高效。将实验结果与仿真结果进行对比，验证了两种材料模型和建模方式的准确性。　　（2）基于实验验证后的6061铝合金材料模型，根据6061铝在不同热处理状态下具有的不同屈服强度的特性，通过改变材料的屈服强度得到的6061铝在T42热处理状态下和退火状态下的材料参数，并以此建立了轴向变厚度变材料的双变属性铝材薄壁管有限元分析模型。根据仿真计算的结果分析了双变属性铝材管在准静态轴向压溃下的耐撞性能，研究结果表明，这种双重变属性铝材薄壁管相较于高强度铝材简单均匀管可显著降低初始峰值压溃力65.4%，相较于等质量的铝材简单均匀管可提高比能量吸收4.4%。　　（3）运用经过实验验证后的Q235钢材料有限元模型，联合6061铝，建立了由Q235钢和6061铝混合制成的变厚度钢铝混合管仿真模型。研究了钢铝材料在整管中长度占比的不同以及壁厚差异对变厚度钢铝混合管变形模式和耐撞特性的影响。研究结果表明，钢铝材料部分壁厚差异会影响钢铝混合管钢材部分的变形，而且相较于单一变属性钢铝混合管，双变属性钢铝混合管更容易发生圆环变形模式；变厚度钢铝混合管的初始峰值压溃力基本不受钢材部分壁厚和长度的影响，且维持在较低水平；变厚度钢铝混合管对压溃力效率的提高较为突出，相较于铝材部分对应的铝材简单均匀管可提高239.3%，相较于钢材部分对应的钢材简单均匀管可提高295.7%。　　（4）根据现有的简单均匀薄壁圆管发生圆环变形模式的理论轴向压溃变形模型和平均压溃力计算公式，探究了发生圆环变形的双重变属性管在轴向压溃工况下的理论平均压溃力预测公式，并分别给出了均匀分段和非均匀分段双重变属性薄壁圆管的平均压溃力预测公式。通过仿真结果对理论计算结果验证发现，双重变属性管的平均压溃力预测公式具有一定的准确性，仿真结果与理论结果的比值基本在1值上下浮动,其中与1差值最大不超过0.09，最低可达0.01。　　本研究通过对双变属性铝材管和变厚度钢铝混合两种双重变属性管的仿真研究，给出了双重变属性管平均压溃力预测公式，可为汽车选用双重变属性吸能结构提供理论指导。
作者：	邵天如
专业：	车辆工程
导师：	徐峰祥
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021